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等離子體,被譽為物質(zhì)的第四態(tài),由大量自由電子、離子以及中性的活性基團組成。憑借其獨特的電學、熱學和光學特性,等離子體在半導體行業(yè)、材料加工、環(huán)境保護、生物醫(yī)藥、金剛石制備和軍工等多個領域展現(xiàn)出了巨大的應用價值。

人工等離子體生成方法包括直流、射頻和微波放電等。其中,微波等離子體技術通過波導或天線將微波源產(chǎn)生的微波能量高效傳遞至諧振腔內(nèi),使放電氣體中的初始電子得以加速,進而與氣體分子發(fā)生非彈性碰撞并導致電離,通過調(diào)控微波功率可實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的放電。相較于其他放電方式,微波放電展現(xiàn)出了一系列顯著優(yōu)勢:首先,微波具有強大的穿透力、高效的能量轉換率以及良好的可控性,作為能量源的微波發(fā)生器易于操作、性能穩(wěn)定且無污染;其次,由于等離子體的生成區(qū)域與微波能量源保持一定距離,有效避免了能量源的直接損害;此外,微波放電無需電極,從而消除了金屬電極材料對等離子體的潛在污染;更重要的是,微波激發(fā)的等離子體區(qū)域不受電極間隙的限制,可以產(chǎn)生大規(guī)模,高濃度等離子體。鑒于以上優(yōu)勢,微波等離子源技術的研究與應用領域正受到廣泛的關注。

微波等離子體在物理、化學與工程等多個領域都有廣泛的應用。具體有以下幾種:

(1) 光譜分析:利用微波的能量作為一種激發(fā)源,將樣品進行激發(fā)和電離,樣品原子受到非輻射激發(fā)而產(chǎn)生的輻射成為樣品元素的光譜信息。微波放電等離子體射流元素分析法,它的主要優(yōu)點是可以用氦氣作為工作氣體來測定所有檢測元素,而且它的操作相對簡便,所需要的儀器成本較低,運轉費用也很低。

(2) 材料的合成與制備:大氣壓微波放電等離子體可以通過氮氣和氧氣制備納米級材料。在納米顆粒的制備上,主要能制備納米金屬氮、氧化物顆粒,其顆粒尺寸可達納米量級;在納米管和納米棒的制備方面,也取得了不錯的成果。這些納米材料被廣泛應用在光催化劑和場發(fā)射器件等相關領域。

(3) 環(huán)境保護:隨著社會飛速發(fā)展,人們在生產(chǎn)發(fā)展的同時更加注重環(huán)境問題,綠色環(huán)保理念更加深入人心。但在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中,仍存在大量的固液氣廢物和有毒物質(zhì),它們不但危害環(huán)境,還對人的身體健康造成極大的威脅。在這樣的背景下,采用微波放電等離子體技術進行廢棄物的處理顯得尤為重要。等離子體技術有以下幾方面的優(yōu)勢:一、微波等離子體擁有高能量密度和高反應溫度,可以產(chǎn)生更多活性物質(zhì),更能促進氣體分子的激發(fā),生產(chǎn)能力較強。二、不需要催化劑的使用,無燃燒燃料,產(chǎn)生的氣體容積小。三、反應器有較大的溫度梯度,反應靈活,可以有效的降低污染物。

(4) 刻蝕技術:一直以來,刻蝕技術就被廣泛的應用到半導體器件、集成電路的基本制造工藝、薄膜電路以及微電子學等重要的領域,并且發(fā)揮著重要的作用。與其它的等離子體刻蝕技術相比較,微波放電等離子體刻蝕具有較高的電源頻率。它的刻蝕反應腔和放電室是分開的,有效的避免了光和熱量對基片的影響。