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低溫等離子體概述

低溫等離子體也稱非平衡態(tài)等離子體，一般是指電子、離子、中性粒子的溫度Te，Ti，Tn，滿足Te>>Ti且Te>>Tn。之所以稱為低溫等離子體，主要是質(zhì)量大的離子和作為等離子體本體的中性粒子一般都處在室溫，它整體對外表現(xiàn)出很低的溫度；而又被稱為非平衡態(tài)等離子體，主要是電子的溫度可以達到幾個eV（幾萬度），與離子、中性粒子沒有達到熱平衡。

一般在低氣壓下，通過氣體放電就可以產(chǎn)生低溫等離子體。對氣體施加電壓，一些游離的電子在外電場的作用下開始加速，高速的電子會與氣體的原子或分子發(fā)生碰撞。如果電子的能量沒有達到原子的最低電離能，電子就會跟原子發(fā)生彈性碰撞，由于電子的質(zhì)量遠小于原子的質(zhì)量，在彈性碰撞中電子幾乎不失去能量，而接著被電場加速。當電子的能量達到原子的最低電離能時，就會發(fā)生非彈性碰撞，原子吸收電子的能量而發(fā)生電離，除了發(fā)生電離外，還會有激發(fā)躍遷、退激輻射，產(chǎn)生大量的光子和處于亞穩(wěn)態(tài)的原子；如果氣體含有分子和化合物，由于低溫等離子體的碰撞不是很劇烈，會有游離態(tài)的未成對的原子和中性基團產(chǎn)生，它們都具有很高的化學活性。

低溫等離子體兩面性的表現(xiàn)就是除了具有經(jīng)典的物理特性外，還具有化學活性。其實它的化學活性是由其微觀結構中的非彈性碰撞來決定的，說到底還是原子物理的成分，包括分子、原子的激發(fā)、電離和離解，但是它化學活性的核心就是這些非彈性碰撞的生成物－活性基團（高能電子，亞穩(wěn)態(tài)原子，中性基團，光子），這些活性基團極其不穩(wěn)定，很容易重新組合成新物質(zhì)。

以氧等離子體為例，氧分子在電子的非彈性碰撞下會產(chǎn)生電離、激發(fā)和離解，會有氧離子O₂⁺，激發(fā)態(tài)的氧分子O₂^*，游離態(tài)的氧原子O生成，這個基團都是具有很強的化學活性的基團。

電離：e+O₂→O₂⁺+2e
激發(fā)：e+O₂→O₂^*+e
離解：e+O₂→O+O+e

而且電離的發(fā)生會有很多帶電基團生成如電子e和離子O₂⁺，它們在電場的作用下會加速，高速的電子和離子會與材料表面發(fā)生碰撞而發(fā)生一些化學反應，它們的作用也不容忽視。

低溫等離子體以其活波的化學活性見長，所以它的應用主要也是以化學應用為主，主要就是應用在新型材料的制備和對材料進行表面改性方面。而且利用低溫等離子體方面制備材料與傳統(tǒng)化學方法相比有很多優(yōu)點，以低溫等離子體的干法刻蝕與以往用腐蝕液進行的濕法刻蝕相比為例，優(yōu)點有以下幾點。第一，濕法刻蝕產(chǎn)生大量廢液，造成公害，采用氣體的干法刻蝕避免了廢液處理問題，排出廢氣的凈化處理過程也較方便簡單。第二，濕法刻蝕必須在高溫條件下進行，而干法刻蝕低溫時就可獲得較高的反應速度，主要就是利用低溫等離子體中含有大量的活性基團。第三，濕法刻蝕通常是由液體與基板的接觸點開始各相同性地進行，而反應性離子刻蝕可以沿著離子地入射方向實現(xiàn)非各相同性刻蝕。而且低溫等離子體刻蝕特別適用于需要進行高精細加工的期間制作上。而且低溫等離子體的表面改性技術可以是一些聚合物表面性能（親水性，粘結性）發(fā)生很大的改觀，是其他化學方法都無法完成的。

不過在使用低溫等離子體制備新型材料和對材料進行表面改性時，必須要有穩(wěn)定的等離子體源及等離子體診斷，它們是與低溫等離子體應用不可分割的整體。