等離子體處理會(huì)與材料表面產(chǎn)生哪些作用？
文章出處：等離子清洗機(jī)廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時(shí)間：2023-02-16
等離子體由帶電粒子和中性活性基團(tuán)組成，在等離子體處理固體材料時(shí)，自由基與固體表面可發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，高能粒子可以通過物理反應(yīng)轟擊固體材料表面并進(jìn)行能量傳遞。等離子體與固體材料的作用效果取決于等離子體的密度、粒子的能量、固體的材料組成以及材料的功能結(jié)構(gòu)等。由于等離子體內(nèi)部的粒子能量有限和固體表面的致密結(jié)構(gòu)等原因，等離子體對(duì)材料的處理深度僅局限在固體的表層，因此能保證深層的基體的原有的性能，同時(shí)賦予材料表面新的性能，所以等離子體和材料的表面作用對(duì)新型材料的研發(fā)和探索具有重要意義。根據(jù)等離子體與材料表面反應(yīng)的種類可分為：物理作用、化學(xué)作用和能量的傳遞作用。
等離子體與材料表面的物理作用
等離子體與固體材料表面的基本作用過程如圖1.1所示，總的來說等離子體與材料表面的反應(yīng)屬于物理反應(yīng)的即物理作用，高能量的粒子與固體表面發(fā)生碰撞，能量轉(zhuǎn)移給固體表面的晶格原子，可以產(chǎn)生瞬時(shí)的歧化反應(yīng)，進(jìn)而對(duì)在常態(tài)下難以發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)有一定的促進(jìn)作用，物理作用一般包括吸附與解吸附、濺射、刻蝕、激發(fā)和電離。
圖1.1 等離子體與材料表面相互作用過程
（一）吸附（Adsorption）和解吸附(Desorption)
吸附和解吸附是兩個(gè)相反的過程，都是等離子體與材料表面處理中的重要過程，往往決定著表面過程的最后性能。吸附過程一般可以分為物理吸附和化學(xué)吸附，其基本的物理吸附力是來自于入射離子和材料固體表面粒子之間的范德華力，屬于弱相互作用力，所以通過物理吸附的粒子與材料表面的結(jié)合能較小，易在固體表面擴(kuò)散。化學(xué)吸附是指等離子體中的活性粒子通過物理加速，撞擊到固體材料表面，使表面分子或原子的化學(xué)鍵打開，形成新的化學(xué)鍵。通常，等離子體與固態(tài)材料的表面反應(yīng)的吸附反應(yīng)是先發(fā)生物理吸附，粒子在固體表面占據(jù)點(diǎn)位，位點(diǎn)和空位點(diǎn)形成粒子的濃度差，粒子向空點(diǎn)位擴(kuò)散，在擴(kuò)散的同時(shí)易形成新的化學(xué)鍵，所以擴(kuò)散與化學(xué)吸附一般同時(shí)進(jìn)行，同時(shí)停止。
解吸附是吸附的逆過程，當(dāng)?shù)入x子體中的粒子吸附在固體材料的表面時(shí)，由于吸附依靠的主要是短程力-范德瓦爾力，能量較弱，當(dāng)有新的高能電子、粒子再次撞擊固體材料表面時(shí)，能量可傳遞給已占據(jù)位點(diǎn)的粒子，當(dāng)傳遞的能量足夠克服范德瓦爾力或者化學(xué)鍵能時(shí)，粒子就會(huì)從位點(diǎn)被解離出來，稱為解吸附。
（二）濺射(Sputtering)
濺射是指等離子體中的放電粒子與表面固體相互作用，發(fā)生動(dòng)量轉(zhuǎn)移的過程。隨著功率的增加，離子和電子的能量逐漸增加，由于電子的質(zhì)量較小可忽略，離子具有足夠的動(dòng)量與材料表面的固體微粒相碰撞，可以穿過固體表面微粒的晶格，發(fā)生碰撞聯(lián)級(jí)，再通過能量的傳遞，把離子的能量傳遞給相鄰位點(diǎn)的原子，當(dāng)傳遞的能量高于原子的結(jié)合能時(shí)，原子易脫離束縛，被高能離子從固體材料表面濺射出來。在進(jìn)行具體的工藝流程的時(shí)候，可以通過離子入射的方向來控制濺射的產(chǎn)出率，產(chǎn)率隨著偏轉(zhuǎn)角的減小而增大，最大產(chǎn)出率就是當(dāng)離子的入射為0°（直射）的時(shí)候。
（三）刻蝕(Etching)
等離子體刻蝕是基于等離子體中的高能離子、電子或活性自由基與固體表面發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)，對(duì)固體材料表面進(jìn)行物理、化學(xué)和離子刻蝕。一般進(jìn)行刻蝕時(shí)，材料被暴露在等離子體中，材料表面同時(shí)接受離子和電子的轟擊，當(dāng)離子轟擊材料表面時(shí)，除了物理撞擊會(huì)產(chǎn)生速率較低的物理刻蝕，活性離子還會(huì)與材料表面的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成易揮發(fā)的物質(zhì)。高能電子轟擊材料表面時(shí)，其主要作用是與固體材料表面碰撞，產(chǎn)生了活性基團(tuán)，活性基團(tuán)可以沿著固體表面擴(kuò)散和吸附，反應(yīng)產(chǎn)生的揮發(fā)性產(chǎn)物變成氣體，更易抽去，其本質(zhì)也屬于化學(xué)反應(yīng)，因此化學(xué)刻蝕比物理刻蝕的速率更快。
離子和電子與材料表面的化學(xué)反應(yīng)
等離子體與固體材料表面的化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)：表面中性原子或分子之間的化學(xué)鍵的斷開和新化學(xué)鍵的形成。等離子體處理固體材料時(shí)發(fā)生的化學(xué)的反應(yīng)的數(shù)量和種類十分復(fù)雜，主要根據(jù)電子的轉(zhuǎn)移可分為氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)、分解和裂解反應(yīng)、聚合反應(yīng)。
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