微等離子體的研究與應(yīng)用

微等離子體的研究與應(yīng)用

1非熱平衡低溫等離子體的應(yīng)用隨著科學技術(shù)的發(fā)展，“離子”在我們的生活中越來越受到重視。從生活中附近的離子裝置、空調(diào)和冰箱中的空氣清潔器到軍事上的離子隱形天線、宇宙中的航空航天推進器，以及經(jīng)常在媒體上報道的國際托卡馬克實驗棧（iter），它們逐漸滲透到我們的生活環(huán)境中。一般而言,等離子體是離子和電子密度大致相當?shù)木哂幸欢婋x度的第四態(tài)物質(zhì),從熱平衡的角度考慮,等離子體可分為離子和電子溫度相近的熱等離子體和電子溫度遠高于離子或原子溫度的低溫等離子體。本文中所提到的微等離子體是一個典型的非熱平衡低溫等離子體。微等離子體通常被限制在一個有限的空間范圍內(nèi),兼具了常規(guī)等離子體的一些特性。盡管它是常規(guī)等離子體的一個縮影,但由于放電尺寸縮小到毫米量級甚至更低,使得微放電等離子體通常能夠運行在大氣壓條件下,這與常規(guī)等離子體相比,出現(xiàn)了一些新的變化,如有更高的等離子體密度和更好的穩(wěn)定性以及由此帶來的其他新的特點和優(yōu)勢。直流放電等離子體的放電條件遵循帕邢定律,也就是說,著火電壓決定于氣體壓強和電極間隙的乘積,該乘積越小,著火電壓就越低,等離子體放電就越穩(wěn)定,放電效率就越高。微等離子體放電同樣遵循帕邢放電條件,這就決定了運行在大氣壓條件下的微等離子體裝置的小型性,從而使得該裝置輕巧、便攜。同時,微放電等離子體無需常規(guī)等離子體使用的真空系統(tǒng),不僅節(jié)省了成本,也省去了大量的真空獲得時間。從這個角度看,微等離子體又是方便、經(jīng)濟和快捷的。另外,高氣壓環(huán)境中的微等離子體放電主要由三體碰撞機制主導,這不僅有利于輻射強度的增強,同時也有利于放電電流密度的提高,從而有利于提高等離子體密度。微等離子體的這些特點和優(yōu)勢為其在紫外光源的獲得、微化學分析系統(tǒng)、生物醫(yī)學[7,8,9,10,11,12,13,14,15]、材料表面改性和加工、環(huán)境污染物的處理等領(lǐng)域提供了廣泛的應(yīng)用空間。本文將綜述幾種微等離子體的產(chǎn)生方法及其應(yīng)用領(lǐng)域。2幾種方法的放電產(chǎn)生微等離子體的方法有很多,常用的幾種方法有:微波誘導放電,容性耦合放電,感應(yīng)耦合放電,介質(zhì)阻擋放電,微空心陰極放電以及毛細管放電等。2.1波帶結(jié)構(gòu)原理微波誘導微放電源[23,24,25,26,27,28]是基于“微波帶”技術(shù)在大氣壓環(huán)境下產(chǎn)生的一種微等離子體,它被廣泛應(yīng)用于氣相色譜中原子發(fā)射光譜激發(fā)源。典型的“微波帶”結(jié)構(gòu)如圖1所示,它由一塊介質(zhì)板,一根帶狀電極,一塊接地平板電極,以及產(chǎn)生等離子體的放電間隙組成。放電間距一般為0.2—0.5mm。2.45GHz的微波通過一根同軸電纜由SMA接頭(一種光纖接頭)導入,以TEM模式沿著夾在帶狀電極與接地電極之間的介質(zhì)板傳播。微波帶技術(shù)的使用不僅可以將微波精確指向間隙區(qū),同時也減少了不必要的外空間輻射損失,有利于耦合效率的提高,從而獲得高密度等離子體。每一個微波帶結(jié)構(gòu)都能作為一個獨立的激發(fā)源,使用陣列方式可以得到大面積的非熱平衡微波誘導微等離子體陣列。2.2容性耦合微等離子體容性耦合等離子體放電(又稱E模式放電)是通過匹配器和隔直電容,將射頻功率施加到兩塊平行平板電極上產(chǎn)生的。Blades等人設(shè)計出一種能在石英板間產(chǎn)生容性耦合微等離子體的裝置,如圖2所示。石英板中寬度為200—500μm的矩形溝槽是氦氣或等離子體的輸運通道,兩條長度可調(diào)的銅電極分別加在上下兩塊石英板上,以決定等離子體的放電長度。整個裝置由13.56MHz的射頻電源供電,放電功耗在5—25W之間。類似于前述微波誘導微等離子體陣列,使用多條等離子體溝槽和電極也可實現(xiàn)容性耦合微等離子體陣列,以滿足特定的需求。Yoshiki等人研究了該容性微放電結(jié)構(gòu)中氣體放電的發(fā)射光譜特性。2.3感應(yīng)耦合等離子體源感應(yīng)耦合等離子體放電(又稱H模式放電)的原理主要是將射頻電流經(jīng)由匹配電路傳輸給感應(yīng)線圈,線圈通過感應(yīng)形成感應(yīng)電場,從而激發(fā)并維持等離子體。Hopwood等人設(shè)計制作了一個小型的感應(yīng)耦合等離子體源(圖3),感應(yīng)天線的直徑約5mm左右,匹配網(wǎng)絡(luò)所需的電感和電容部件均印制在環(huán)氧樹酯板上。該裝置所需產(chǎn)生等離子體的功耗很低,而離子密度卻非常高,在功耗1W、400mtorr(1torr=1.33×102pa)的氬氣環(huán)境下所獲得的離子濃度可高達9×1010cm-3。同時,作者還發(fā)現(xiàn),適當?shù)靥岣叻烹婎l率和使用高耦合系數(shù)結(jié)構(gòu)能有助于提高功率耦合效率。但是,感應(yīng)耦合微等離子體系統(tǒng)通常對工作氣壓要求比較高,需要運行在低于1torr的環(huán)境下,因而限制了其應(yīng)用,盡管作者設(shè)法使用了一個迷你抽氣系統(tǒng),以滿足低氣壓的環(huán)境要求。2.4介質(zhì)阻隔放電介質(zhì)阻擋放電也被稱為無聲放電,是一種典型的非平衡的高壓交流氣體放電(圖4)。它通常由兩個平行電極組成,其中至少有一個電極表面覆蓋有電介質(zhì),當兩極間加上交流高壓或脈沖時,兩極間的氣體被擊穿發(fā)生介質(zhì)阻擋放電。介質(zhì)阻擋放電是在外電場的作用下電子從電場中獲得能量,通過與周圍分子原子碰撞傳遞能量,使之激發(fā)電離,產(chǎn)生電子雪崩,但由于介質(zhì)阻擋作用限制了放電電流的無限增長,只有形成快脈沖式電流細絲通道,即所謂的微放電。同時,電介質(zhì)還能阻止放電向弧光放電的過渡,可以實現(xiàn)高壓氣體放電,因此正被日益廣泛的應(yīng)用于臭氧合成、大功率紫外、水處理和環(huán)境保護等領(lǐng)域。此外,介質(zhì)阻擋放電還可以充當射流等離子體放電的預(yù)放電,為形成射流提供種子電子,產(chǎn)生不同于尖端電暈放電的、放電性質(zhì)空間均勻的射流等離子體。2.5微空心電極放電采用細圓筒空心電極為陰極,可以增加電流密度,從而得到高密度的等離子體,對應(yīng)的放電稱為空心陰極放電。在微空心陰極可理解成空心陰極的孔徑尺寸為亞毫米量級。微空心陰極放電過程中,雙極場勢阱的束縛使得大部分電子被約束在放電腔中,壽命得以延長,這有利于增加背景氣體的電離,提高等離子體密度。微空心陰極放電一度被認為是負輝光放電模式,但隨著研究的不斷深入,微空心陰極放電也可以在正常輝光放電和反常輝光放電的工作模式下工作,因而有“微腔放電”或“微結(jié)構(gòu)電極放電”之稱。微結(jié)構(gòu)電極放電能在高氣壓和低功耗的工作環(huán)境下實現(xiàn)表面處理、污染物的降低、紫外輻射和極遠紫外輻射的產(chǎn)生等。微結(jié)構(gòu)電極放電裝置(圖5)由兩塊金屬薄片(銅、鎳、鉑金、鎢等)和夾在金屬薄片之間的絕緣體(云母、陶瓷等)組成,一個直徑從幾十微米到幾百微米不等的孔貫穿金屬和絕緣體。當把直流或交流電流接入系統(tǒng)時,兩金屬薄片電極之間會產(chǎn)生等離子體,其放電情況與孔徑大小、電極間距、氣壓以及電流大小有關(guān)。當工作在高氣壓環(huán)境下且孔徑很小時,只需較低的電壓便可維持兩電極之間產(chǎn)生穩(wěn)定的放電,得到氣體溫度和電子密度都較高的等離子體。2.6毛細管放電模式毛細管放電是由Kunhardt和Becker引入的新的電極設(shè)計,電介質(zhì)毛細管覆蓋在一個電極表面或同時覆蓋在兩個電極表面(圖6)。毛細管放電初看起來與傳統(tǒng)的介質(zhì)阻擋放電十分類似,但毛細管放電中的“毛細管射流模式”是在介質(zhì)阻擋放電中觀察不到的。毛細管的直徑從0.01—1mm不等,長度-直徑比值從10:1到1:1。在高氣壓下放電時,毛細管末端產(chǎn)生高強度等離子體射流,形成等離子體電極。頻率對毛細管放電有著很大的影響,當脈沖電壓頻率為幾千赫茲時,所觀察到的放電模式與介質(zhì)阻擋放電的擴散輝光放電模式類似,而當頻率達到某一特定值時(該頻率值與長度-直徑比值和工作氣體有很大關(guān)聯(lián)),會有很明亮的等離子體射流從毛細管末端射出。當毛細管彼此緊密排列時,等離子體射流會相互重疊,這時毛細管放電顯示出很好的均勻性,增強了氣相污染物的處理效率。3微等偏差的應(yīng)用人們采用不同的電極結(jié)構(gòu)和不同的放電方法以實現(xiàn)微等離子體的產(chǎn)生,并在不同的領(lǐng)域和環(huán)境中得以廣泛應(yīng)用。下面按以下幾個應(yīng)用領(lǐng)域來進行介紹。3.1微腔放電微腔放電的一個典型應(yīng)用是等離子體平板顯示(plasmadisplaypanel,PDP)。等離子體顯示器,是繼CRT(陰極射線管)、LCD(液晶顯示器)后的最新一代顯示器,其特點是厚度薄,分辨率高。顯示屏上排列有上千個密封的小低壓氣體室,氣體室中一般充的是氙氣和氖氣的混合工作氣體,在交流電場的作用下產(chǎn)生微放電?；旌蠚怏w的采用實際上是利用潘寧效應(yīng)來提高電離效率,降低放電電壓。Xe激發(fā)態(tài)原子由于自發(fā)輻射產(chǎn)生很強的紫外共振線,這種紫外光照射到熒光體,發(fā)出三原色光,并透過前面的玻璃板傳到外界。盡管PDP已經(jīng)進入實用當中,但研究者們?nèi)栽谠O(shè)法改善微腔放電的工作參數(shù)。例如,使用納米多孔氧化鋁作為介質(zhì)層,提高微腔放電器件的穩(wěn)定性與可靠性;在放電腔內(nèi)壁涂覆納米碳管,改善場發(fā)射性能,降低微腔放電的著火電壓。3.2微等離子體發(fā)射源微加工和微放電技術(shù)的成熟推動了芯片實驗室(labonachip,LOC)的不斷進展。作為芯片實驗室的一個重要分支,小型化的微化學分析系統(tǒng)不僅擁有甚至超過大型分析儀器所具備的一些功能,而且由于其體積很小,體現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢,如,工作時所需的材料和費用大大減少,尤其減少了具有輻射、毒性或危險樣品的使用;小型化微化學分析系統(tǒng)的功率消耗少,便攜性好。微化學分析系統(tǒng)的一個關(guān)鍵是需要產(chǎn)生一個微等離子體作為一個發(fā)射源,同時還必須滿足幾個要求:能運行在大氣壓環(huán)境下;有穩(wěn)定的物理化學特性,以免微結(jié)構(gòu)被污染;低功耗,便于攜帶等。滿足條件的微等離子體發(fā)射源可以嵌入到微化學分析系統(tǒng)中,實現(xiàn)現(xiàn)場分析與檢測。作為例子,Kunze等人顯示了介質(zhì)阻擋放電微等離子體在激光二極管原子吸收光譜儀中的應(yīng)用。3.3新型等離子體源生物領(lǐng)域需要的微等離子體源不僅要能夠在大氣壓下工作,而且要盡量避免熱和電場對生物材料造成的損傷,同時必須要有好的定位精度,實現(xiàn)對單個細胞的操作。Stoffels等人研制了基于容性耦合放電原理的所謂的“等離子體針”的新型等離子體源,并研究了等離子體針對倉鼠卵巢的上皮細胞CHOK1和人體上皮細胞NSCLCMR65的影響。研究表明,在微等離子體作用下,細胞之間的弱相互作用消失,細胞彼此間發(fā)生分離;但分離的細胞仍保持著一定的活性,這取決于微等離子體與細胞的作用時間,活性細胞經(jīng)過一段時間后重新粘結(jié)。等離子體針的精細操作及分離細胞的能力,使它在分離癌細胞、清潔牙腔等精細外科領(lǐng)域中具有很大的應(yīng)用空間。3.4射頻微等離子體技術(shù)微電子工業(yè)中的薄膜沉積、基片刻蝕和等離子體表面處理離不開真空環(huán)境,而最近發(fā)展起來的微等離子體則避免了昂貴的真空獲得系統(tǒng)和漫長的抽氣時間,可以在大氣壓環(huán)境條件下進行等離子體表面處理。Ichiki等人設(shè)計了一種小型的甚高頻率(100MHz)驅(qū)動的感應(yīng)耦合等離子體射流源,可以在很小的空間范圍內(nèi)產(chǎn)生高溫高密度等離子體,實現(xiàn)硅基片極高速率的直徑僅為400μm的定向刻蝕。Foest等人設(shè)計出了一種直徑小于0.5mm的射頻毛細管等離子體射流,這種等離子體射流能夠?qū)酆衔镆r底的微腔進行表面定點處理,也可對管狀襯底的內(nèi)壁進行處理。Yoshiki等人也成功地使用13.56MHz容性耦合微等離子體對聚對苯二甲酸乙二酯毛細管內(nèi)壁進行改性。Shirai等人利用大氣壓環(huán)境下射頻微等離子體在覆蓋有20nm厚鐵膜的C-Si表面成功合成了硅納米錐。微等離子體在表面清潔或消毒方面中也展示出了它應(yīng)有的效用。例如,Baravian等人設(shè)計了一種能夠去除鐵表面油污的方法,即使用脈沖低頻源為介質(zhì)阻擋放電裝置供電,通入氧氣形成氧微放電等離子體,并將微等離子體作用到油污表面,以達到清除油污的目的。3.5微等離子體表面改性技術(shù)為防止與血液相接觸的生物醫(yī)用聚乙烯管(PE管)內(nèi)壁產(chǎn)生血栓或栓塞,人們往往在內(nèi)表面通過單體等離子體接枝聚合改性,并涂覆一層與白蛋白結(jié)構(gòu)相似的表面活性劑,以降低血小板和纖維蛋白原在內(nèi)壁上的凝結(jié)。但由于常規(guī)等離子體改性會導致內(nèi)表面改性的不均勻和活性劑固化的不徹底,盡管可以通過移動放電電極或PE管來改善,但這種不均勻性仍然存在,尤其是在PE管兩端的氣壓降較大時。為了有效解決這個問題,Lauer等人基于空心陰極放電原理設(shè)計了一個微等離子體放電裝置,與常規(guī)的等離子體表面改性技術(shù)相比,該裝置具備價格低廉、PE管內(nèi)的等離子體均勻和長的等離子體長度等特點。作者使用該微空心陰