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等離子體是被電離了的氣體,由電子、離子以及處于基態和激發態的中性物質組成,屬于物質的第四態。從宏觀來看,等離子體是電中性的,但其中又含有導電的自由載流子。實驗室中常通過向氣體施加高壓的方式引發氣體電離,從而生成等離子體。

依照熱力學平衡,可將等離子體分為高溫等離子體和低溫等離子體。

(1) 高溫等離子體的電離率很高,電子溫度、離子溫度和氣體溫度基本一致,如核聚變等離子體。

(2) 低溫等離子體只有部分氣體被電離,因為等離子體中各種粒子溫度很難完全一致,因此又可細分為兩種:

熱平衡等離子體中電子溫度、離子溫度和氣體溫度達到局部熱平衡,且電子密度和氣體溫度都很高;

非熱平衡等離子體(也被稱為冷等離子體)中電子溫度很高,而離子和氣體溫度則接近常溫。

低溫離子體中的高能電子能夠在低溫條件下碰撞產生自由基、激發態的分子、原子、離子等化學活性種。

使用冷等離子體處理材料,可以激發材料表面分子發生電離,同時被處理的材料又始終處于較低的溫度,這使得材料整體的性質不發生改變、組成成分不發生破壞。因此冷等離子體技術被普遍用于污染物處理、納米材料合成、表面改性等領域。

冷等離子體表面處理改性原理

由于冷等離子體中存在大量活性粒子(如電子、離子、中性粒子、自由基等),因此當等離子體作用于材料的表面時,能夠清潔材料表面的氧化物與雜質;可以刻蝕材料表面,使材料表面變得粗糙,增大材料的比表面積;向材料表面注入自由基,與材料表面枝接聚合,構成交聯結構;在材料表面產生自由基和活性中心,增強材料表面反應活性;電離氣體中的電子和離子的能量大約在幾至幾十電子伏特,與材料表面作用后可以打開分子間的化學鍵形成新鍵,并與放電空間所產生的自由基相結合,在材料表面引入新的極性基團;可以直接向材料中注入離子完成摻雜,影響材料中載流子的遷移規律,改變材料表面特性。等離子體表面改性通常只作用于材料表面的幾百納米范圍內,其能量不足以對材料本體造成損傷,是一種比較安全的處理手段。

不同的氣體電離后所產生的活性粒子的種類不同,因此對材料表面的改性效果也不同。反應性氣體有O2、N2、CO、CO2和空氣等,所產生的等離子體中含有的化學活性種可以直接跟材料表面發生反應,從而改變表面化學結構;非反應性氣體有Ar和He等,所產生的等離子體中的化學活性種不可以直接跟材料表面發生反應,但是可以利用其中的高能粒子轟擊材料表面以產生大量的高活性自由基,從而改變材料表面的化學及物理性能。

因此冷等離子體表面處理技術已被公認為一種低能耗、作用周期短,更重要的是不產生化學廢物的固體材料表面改性工具,等離子體的能量高、同時作用溫度低,具有不可替代性,被廣泛應用于醫學、工業、微電子、環保、航天及航海等領域。