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尘埃等离子体教材

浅谈尘埃等离子体

摘要尘埃等离子体是在近几十年以来物理学所研究的热门课题,他是一种复杂的物质形态,由普通的等离子体和悬浮在其中的固体颗粒组成.一般的等离子体由带负电的电子和带正电的离子组成,再加入固体颗粒就形成三组分的物质,这是一种部分或完全电离的等离子体,其基本成分除了电子和离子外,还有带负电的、且电荷不是常数的微粒.文章介绍了对尘埃等离子体的简单认识、尘埃等离子体物理的简要发展历史和最近一些热点问题.

关键词尘埃等离子体，带电尘埃，等离子体

尘埃等离子体（dustyplasma）物理是近一二十年中迅速成长起来的研究领域.这种等离子体的组分除了电子、离子以及中性气体以外,还包含有带电微粒,微粒的尺寸通常小的可到纳米量级、大的可到几微米或几十微米甚至到毫米量级.等离子体中的作用主要是静电的相互作用,而悬浮在等离子体中的颗粒一般也是带电的,所以这些颗粒也参与了与其他两种粒子的相互作用,使这种物质形态内的过程更复杂.这一物质形态最重要的特点是微粒在等离子体中是带电的,每个颗粒能带成千上万个基本电荷,但荷质比却比离子要小很多个数量级;此外所带的电荷不是常数,是随等离子体参数的变化而变化的;颗粒的运动除了受重力作

图1尘埃等离子体的组成

用外,主要受电磁力的支配.这一性质使尘埃等离子体有别于含负离子的等离子体,使之呈现出许多新的物理现象,激发起人们的研究兴趣.本文仅就这一领域的历史和研究前沿作一简单介绍[1].

1简要历史

尘埃等离子体广泛存在于自然界,典型的如土星的光环（图2左）它是由尺寸从1米到亿分之一米的尘埃颗粒组成的.此外,彗星尾巴、一些星际云,都可看成尘埃等离子体.

但是尘埃等离子体作为研究对象是从20世纪80年代才开始的.部分起因来自土星光环的观测与研究.当时在土星光环中观察到一些轮辐式结构.这种结构可以持续一小时以上,在几分钟内看到变化.因为光环中的离子运动都是沿环绕土星的轨道而进行的，所以用传统

图2（左图）旅行者2号拍下的土星环中辐条状尘埃照片,左框照片时间间隔为10分钟[1]

（右图）等离子体刻蚀中硅片上方的尘埃环照片以及尘埃颗粒的电镜图,颗粒直径为20m[1,2]

理论不能解释.但是后来用等离子体领域里熟悉的不稳定性理论解释了这一现象.所谓不稳定性,是等离子体中常见的现象,就是有某种原因导致了某种运动或变化,而这运动或变化的结果又加剧了这一原因,导致增长或振荡.解释土星轮辐式结构的模型是认为有外来大型颗粒入射到土星环,使等离子体局部密度变化,导致电场扰动,顺环运动的尘埃颗粒在这里积累,产生局部变黑效应.而这一局部变化可以作为波在径向传播,形成轮辐结构.

另一个事件是IBM的Sewlyn等人在1989年报道的等离子体刻蚀半导体芯片过程中的尘埃污染[2].在这之前,微电子工业中经常遇到颗粒污染问题,开始人们总是认为芯片是在空气中被污染的,因而总是不断地提高洁净工作室标准,但总是无法消除污染.出于商业机密,工业界从未公开这些问题.Sewlyn等人发现尘埃颗粒不是从外界带入的,而是在刻蚀过程中生长起来的.刻蚀中常用的气体是氩气和硅烷等混合气体,后者是极易反应的气体,容易产生二氧化硅,分子间聚集形成尘埃颗粒.在他们的实验中用激光诱导荧光的方法来诊断反应气体的浓度,这样的信号本来是很微弱的,然而他们却意外发现很强的散射信号来自微米大小的颗粒对激光的散射,这些颗粒被静电悬浮在硅片的上方,相互聚集并生长,如图1右图所示.在放电过程中,这些颗粒被等离子体带电,由电场力和重力相平衡而被悬浮,但在放电结束时电场力消失,它们在重力作用下掉在硅片上,造成污染.这个现象的发现揭示了等离子体材料处理中的尘埃粒子具有与空间环境中的尘埃颗粒相同的性质,使得这两个领域的人们走到一起,共同推动了尘埃等离子体物理的发展.Selwyn等人的发现还有另一层意义.实验室搞基础研究的人们始终在寻找产生强耦合等离子体晶体的方法,他们试图用带电尘埃来产生,但苦于无法将尘埃颗粒托起.Sewlyn等人的实验使他们受到启发,用射频放电和与等离子体刻蚀相同的气体可以产生尘埃颗粒并且利用等离子体鞘层可将它们悬浮在基板的上方.1994年,我国台湾国立中央大学的伊林等人[3]以及德国马普研究所的Morfill等人[4]几乎同时在实验上首次实现了尘埃等离子体晶体结构,这就极大地鼓舞了这个领域人们的研究热情.另外,1995年美国Iowa大学的Barkan等人在稳态等离子体中观察到尘埃颗粒运动激发的尘埃声波[5],又推动人们对尘埃等离子体中集体波动与不稳定性问题的研究高潮.除了空间和材料处理中存在尘埃粒子以外,在磁约束聚变托卡马克装置的边缘区域也常常发现由于离子轰击而产生的尘埃微粒[6]这些微粒对等离子体的输运产生深刻影响.由此可见,等离子体中存在带电尘埃是很普遍的现象,使得不同研究方向的学者有了共同的研究兴趣.从20世纪90年代中期开始,很多原来从事空间、实验室、工业应用等离子体的人们改做尘埃等离子体物理的工作,在此之后的10余年中,尘埃等离子体研究得到飞速发展,在等离子体学科中形成一个崭新的分支领域.

在与天体物理毫不相干的另一技术领域也发现了尘埃等离子体的踪迹.这个领域就是迅速发展的大规模集成电路的制造业,或称IT业.现在的IT业广泛使用等离子体技术,如等离子体刻蚀、镀膜.这样的工艺过程当然要求很清洁的环境,避免环境中的尘埃污染成品.但是这样的污染难于完全避免,因为它们不完全来自环境而主要来自等离子体过程.这是因为等离子体中的离子会与固体器壁强烈作用,将器壁材料溅射进等离子体,或者一些反应气体会合成固体颗粒.例如,粒子在石墨电极或铝真空室壁上溅射出来的碳或铝离子在空间结合成微粒.

2最近几个前沿问题

最近一个热门的焦点是把尘埃等离子体实验搬到无重力环境下的国际空间站上进行.在地球表面由于受重力作用,尘埃只能被约束在很薄的鞘层中,而在空间站上,尘埃可以停留在整个等离子体中.由此引发了人们对微重力条件下尘埃等离子体的理论和实验研究.另一个热点问题是对二维尘埃晶体中的颗粒进行操纵,在其中激发晶格波动和马赫锥[7,8].通常在电极上施加一扰动电压,可激发起格点振动,通过颗粒间的相互作用形成晶格波,这些波可以是纵波也可以是横波[9].有人还通过在晶面下的导线上加一负电压脉冲,在晶面中激发起冲击波[10].马赫锥现象类似于超声速（马赫数大于1）物体在空气中激发起波阵面是圆锥形的激波,实验中通常是利用扫描激光束通过辐射压力使晶面中的某一颗粒以超声速运动,从而激发起V字形的马赫锥,或利用晶面上方或下方的另一颗超声速运动的颗粒来激发.

尘埃等离子体物理是内容极为丰富的研究领域,新的现象层出不穷,相应的理论研究也不断发展,本文只是对其中的一些基本问题作简要介绍,由于作者知识面有限,不可能面面俱到,读者可参阅其他参考文献.

参考文献

[1]MerlinoRL,GoreeJA.PhysicsToday,2004,57（7）:

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[2]SelwynGS,SinghJ,BennettRSJ.Vac.Sc.iTechno.l,1989,A7:

2758;SelwynGS.PlasmaSourceSc.iTechno.l,1994,3:

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[3]ChuJH,ILin.Phys.Rev.Let.t,1994,72:

4009

[4]ThomasH,MorfillGE,DemmelVetal.Phys.Rev.Let.t,1994,73:

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[5]BarkanA,MerlinoRL,DA'ngeloN.Phys.Plasmas,1995,2:

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[6]WinterJ,Phys.Plasmas,2000,7:

3862;NariharaKetal.Nuc.lFusion,1997,37:

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[7]MorfillG,IvlevAV,JokipiiJR.Phys.Rev.Let.t,1999,83:

971;MisawaTetal.Phys.Rev.Let.t,2001,86:

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[8]SamsonovDetal.Phys.Rev.Let.t,1999,83:

3649;MelzerAetal.Phys.Rev.E,2000,62:

4162;NosenkoVetal.Phys.Rev.Let.t,2002,88:

135001;HouLJ,WangYN,MiskovicZL.Phys.Rev.E,2004,70:

056406

[9]BharuthramR,ShuklaPK.Plane.tSpaceSc.i,1992,40:

973;MaJX,LiuJ.Phys.Plasmas,1997,4:

253;SinghSV,RaoNN.Phys.Plasmas,1998,5:

94;PopelSI,GolubAP,LossevaTV.Phys.Rev.E,2003,67:

6402

[10]SamsonovDetal.Phys.Rev.Let.t,2004,92:

255004