等离子体是被电离了的气体,由电子、离子以及处于基态和激发态的中性物质组成,属于物质的第四态。从宏观来看,等离子体是电中性的,但其中又含有导电的自由载流子。实验室中常通过向气体施加高压的方式引发气体电离,从而生成等离子体。

依照热力学平衡,可将等离子体分为高温等离子体和低温等离子体。

(1) 高温等离子体的电离率很高,电子温度、离子温度和气体温度基本一致,如核聚变等离子体。

(2) 低温等离子体只有部分气体被电离,因为等离子体中各种粒子温度很难完全一致,因此又可细分为两种:

热平衡等离子体中电子温度、离子温度和气体温度达到局部热平衡,且电子密度和气体温度都很高;

非热平衡等离子体(也被称为冷等离子体)中电子温度很高,而离子和气体温度则接近常温。

低温离子体中的高能电子能够在低温条件下碰撞产生自由基、激发态的分子、原子、离子等化学活性种。

使用冷等离子体处理材料,可以激发材料表面分子发生电离,同时被处理的材料又始终处于较低的温度,这使得材料整体的性质不发生改变、组成成分不发生破坏。因此冷等离子体技术被普遍用于污染物处理、纳米材料合成、表面改性等领域。

冷等离子体表面处理改性原理

由于冷等离子体中存在大量活性粒子(如电子、离子、中性粒子、自由基等),因此当等离子体作用于材料的表面时,能够清洁材料表面的氧化物与杂质;可以刻蚀材料表面,使材料表面变得粗糙,增大材料的比表面积;向材料表面注入自由基,与材料表面枝接聚合,构成交联结构;在材料表面产生自由基和活性中心,增强材料表面反应活性;电离气体中的电子和离子的能量大约在几至几十电子伏特,与材料表面作用后可以打开分子间的化学键形成新键,并与放电空间所产生的自由基相结合,在材料表面引入新的极性基团;可以直接向材料中注入离子完成掺杂,影响材料中载流子的迁移规律,改变材料表面特性。等离子体表面改性通常只作用于材料表面的几百纳米范围内,其能量不足以对材料本体造成损伤,是一种比较安全的处理手段。

不同的气体电离后所产生的活性粒子的种类不同,因此对材料表面的改性效果也不同。反应性气体有O2、N2、CO、CO2和空气等,所产生的等离子体中含有的化学活性种可以直接跟材料表面发生反应,从而改变表面化学结构;非反应性气体有Ar和He等,所产生的等离子体中的化学活性种不可以直接跟材料表面发生反应,但是可以利用其中的高能粒子轰击材料表面以产生大量的高活性自由基,从而改变材料表面的化学及物理性能。

因此冷等离子体表面处理技术已被公认为一种低能耗、作用周期短,更重要的是不产生化学废物的固体材料表面改性工具,等离子体的能量高、同时作用温度低,具有不可替代性,被广泛应用于医学、工业、微电子、环保、航天及航海等领域。