等離子體與材料相互作用

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)表時間：2022-05-10

等離子體和材料之間的界面是一個非常復(fù)雜的環(huán)境,等離子體與材料表面相互作用包含了多種等離子體基元(離子、原子和分子)和材料表面的相互作用。這些等離子體基元能夠發(fā)生協(xié)同相互作用，在這些協(xié)同相互作用中，起主導(dǎo)作用的是高能離子轟擊，離子轟擊使得通常熱平衡條件下不會發(fā)生的反應(yīng)得以發(fā)生。多種等離子體基元在非熱平衡條件下的協(xié)同相互作用使得在相對低的溫度條件下進(jìn)行特殊材料合成、改性及制備微細(xì)圖形。等離子體-材料表面之間的相互作用和等離子體中原子、分子等基元的物理性質(zhì)有著錯綜復(fù)雜的關(guān)系，這是由于離子、原子和分子等基元的能量、相對流量和化學(xué)成分決定了它們在表面的反應(yīng)活性。表面的反應(yīng)速率偏向于依賴到達(dá)表面的基元的電子態(tài)和振動態(tài)。等離子體流-材料表面之間的相互作用和固體物理、化學(xué)和表面科學(xué)等學(xué)科之間都有緊密的關(guān)系。等離子體和表面的反應(yīng)既取決于與等離子體作用的物體表面的電子能帶結(jié)構(gòu)、表面和塊體的成分和結(jié)構(gòu)，也取決于吸附到表面的等離子體基元以及穿過復(fù)雜反應(yīng)層在表面.上形成的激元的擴(kuò)散能力和反應(yīng)能力。

等離子體與材料發(fā)生作用的主要粒子為中性粒子、離子和電子。通常來說發(fā)生的反應(yīng)主要為背反射、解吸、物理濺射、化學(xué)濺射、輻射增強(qiáng)升華、起泡、輻射損傷和再沉積等。

(1) 背反射:粒子進(jìn)入材料表面后會和材料原子發(fā)生--系列彈性和非彈性碰撞,最后將會有一部分入射粒子離開材料后重新回到等離子體區(qū)，這一過程叫做背反射。

(2) 解吸:材料表面一般會吸附--些氣體，當(dāng)粒子轟擊到壁或者壁溫度升高以后，一些吸附能較小的粒子將會離開材料，這一-過程即為解吸附過程。

(3)物理濺射:高能帶電粒子轟擊材料，入射粒子的部分能量將會通過碰撞傳給材料中的原子，若這些原子的能量超過了結(jié)合能量，即可能從壁表面逃逸出，進(jìn)入等離子體區(qū)，這一過程叫做物理濺射。物理濺射和入射粒子能量、角度、材料特性有關(guān)。

(4) 化學(xué)濺射:入射粒子和固體表面物質(zhì)結(jié)合，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成可揮發(fā)的分子。化學(xué)濺射與入射粒子能量、粒子流以及材料溫度有關(guān)。

(5) 輻射增強(qiáng)升華:在高能粒子的轟擊下，材料內(nèi)部將產(chǎn)生間隙原子和空穴。當(dāng)材料溫度較低時，間隙原子和空穴很快復(fù)合;當(dāng)材料溫度較高時，間隙原子向材料表面運(yùn)動，間隙與周圍原子的結(jié)合能低，可以熱解吸，這就是輻射增強(qiáng)升華。

(6) 起泡:當(dāng)一定能量的氣體離子進(jìn)入在固體內(nèi)一定深度植入，并逐漸累積，當(dāng)劑量達(dá)到一定程度時，就在表面形成氣泡，且逐漸增大，最終破裂。起泡可以引起起層現(xiàn)象，導(dǎo)致金屬材料嚴(yán)重?fù)p傷，產(chǎn)生大量金屬雜質(zhì);起泡同時可以改變金屬材料性質(zhì)，減小金屬的熱傳導(dǎo)性。

(7)輻射損傷:高能中子的長期照射會使壁材料原子核發(fā)生位移，產(chǎn)生腫脹、硬化、脆化等變化。

(8)再沉積:高能粒子轟擊壁將會引起材料侵蝕，從而濺射出雜質(zhì)粒子。雜質(zhì)粒子在等離子體區(qū)電離，然后在電場和磁場作用下運(yùn)動(雜質(zhì)的輸運(yùn))，--部分電離的雜質(zhì)將會重新沉積到材料的其他位置，這個過程叫做再沉積過程。

等離子體和材料相互作用是與等離子體物理、表面物理、等離子體化學(xué)、分子物理,原子物理等學(xué)科密不可分的交叉研究領(lǐng)域。等離子體與材料表面的復(fù)雜相互作用，由于可以同時改變等離子體和材料表面的狀態(tài)影響等離子體的應(yīng)用,而一直被認(rèn)為是等離子體科學(xué)領(lǐng)域的一個非常重要的研究課題。