第五场诱导化学化学反应-2PPT文档格式.ppt

1、“Plasma”I.Langmuir1926*定义定义1:“包含足够多的正负电荷包含足够多的正负电荷Positive&Negativecharge数目近于相等的带电粒子数目近于相等的带电粒子chargedparticles的物的物质聚集状态质聚集状态aggregates。”固态等离子体固态等离子体SolidPlasma：晶格中正离子：晶格中正离子Positiveions与与Freeelectrons自由电子组合自由电子组合;半导体中电子半导体中电子electrons与空穴与空穴holes的组合等。的组合等。液态等离子体液态等离子体Liquidplasma：如电解质溶液：如电解质溶液electr

2、olyticsolution中正负离子的组合。中正负离子的组合。*定义定义2:“等离子体是由大量带电粒子等离子体是由大量带电粒子chargedparticles组成的非凝聚系统组成的非凝聚系统non-condensedsystem。”强调了非凝聚系统，即排除了单纯的固态和液强调了非凝聚系统，即排除了单纯的固态和液态，但包含了电子束态，但包含了电子束electronbeam和离子束和离子束ionicbeam。等离子体定义等离子体定义3:“等离子体是包含足够多的正负电荷等离子体是包含足够多的正负电荷Positiv&Negativecharge数目近于相等数目近于相等Approximateequal

3、的带电粒子的带电粒子Chargedparticles的非凝聚系统的非凝聚系统non-condensedsystem。”单纯气态：单纯气态：完全或部分电离了的气体完全或部分电离了的气体（微放电区电离度下限微放电区电离度下限10-6,大气压下大气压下放电空间平均电离度可低至放电空间平均电离度可低至10-12）非单纯气态：尘埃等离子体非单纯气态：尘埃等离子体雾滴等离子体雾滴等离子体等离子体分类等离子体分类按系统温度分类按系统温度分类（1eV=11,610K）1.高温等离子体高温等离子体Tg=Ti=Te=108-9K（104-5eV）2.低温等离子体低温等离子体1）.热等离子体热等离子体;Tg Ti

4、Te5,000K TgTi Tg;100K Tg1,000K Te通常为通常为1至数十至数十eV冷等离子体TeTi,Tg热等离子体TeTi,Tg电弧、碘钨灯极光、日光灯电子温度100000C1eV聚变、太阳核心高温等离子体低温等离子体在等离子体中引入电场，经过一定的时间在等离子体中引入电场，经过一定的时间.德拜德拜（Debye）屏蔽屏蔽等离子体特性在等离子体中引入电场，经过一定的时间，等离子体中的电子、离子将移动，屏蔽电场shieldingelectricfield德拜屏蔽Debyeshielding德拜（Debye）屏蔽等离子体特性等离子体特性屏蔽层厚度：德拜长度lD特征响应时间：tplD/

5、vT1/wp在等离子体内部，正、负电荷数几乎相等-准中性quasi-neutralityneni准中性准中性等离子体特性等离子体特性等离子体基本条件BasicrequirementsofPlasma空间尺度要求：等离子体线度远大于德拜长度lDtp集合体要求：在德拜球中粒子数足够多，具有统计意义NDne（4 plD3/3）1非磁化等离子体中波动WavemotionofNon-magnetizedPlasma1.离子声波pseudosonicwave：离子运动，低频lowfrequency，与普通声波类似，纵波longitudinalwave2.电子等离子体波：电子运动，高频，纵波3.电磁波ele

6、ctromagneticwave：横波transversewave，等离子体可视为介质medium，折射率 indexofrefractionnTi Tg 102K 电晕层电晕层筒状电极筒状电极线电极线电极介质阻挡放电介质阻挡放电Commondielectric-barrierdischargeelectrodeconfigurationsplanarandcylindricaldielectric-barrierdischarges介质阻挡放电介质阻挡放电形成条件形成条件:1.二电极间有绝缘介质二电极间有绝缘介质存在存在2.交变电场交变电场特点：特点：1.高气压高气压（105-106Pa）2

7、.高电压降高电压降（103-105V）3.低电流密度低电流密度（10-2-10-3A/cm2）4.TeTi Tg 102KHV（a.c.）低温等离子体的应用在低温等离子体中电子拥有足够的使分子化学键断裂的能量，而气体温度又可保持与环境温度相近，这对化合物的合成是非常有利的。所以近几十年来，低温等离子体在金属材料的表面处理、无机薄膜材料表面处理、无机薄膜材料的制备、无机物的合成等方面发展十分迅速。1）等离子体化学沉积（PCVD）a.Si、Ge在熔融状态仍具有很高的配位数，用熔融体骤冷法难以得到非晶态硅，而用PCVD则易得到。平行平板等离子体装置中，电子撞击SiH4气体解离成SiH3、SiH2、S

8、iH、Si，即在基板上析-Si，其含氢量约10，这种非晶态的硅是太阳能电池的极好材料。如果在SiH4中掺入PH3和B2H6，则可制得N型和P型薄膜材料。b.利用PCVD已制备了非晶态Si、C、Ge、As等薄膜材料。c.作为集成电路用的接线材料，必须具备耐高温、导电性好等特性。通常使用的是金属铝和多晶硅金属铝和多晶硅。这两种材料均存在一定的缺点，铝在电子迁移方面存在不足，并且由于熔点低，易与硅反应，使其应用受到限制；多晶硅刻蚀精细线路困难，电阻也大，因而降低了使用价值。过渡金属正好弥补这些不足之处，Tang等人利用PCVD，以WF6（W0F6）为物质源，制备了金属金属W（Mo）薄膜薄膜，以WF6

9、和SiH2为物质源制备了WSi薄膜，从而为集成电路接线材料开辟了新的途径。57等离子体化学气相沉积技术PECVD等离子体化学气相沉积设备CH41.大规模集成电路制备中的等离子体化学刻蚀与沉积大规模集成电路制备中的等离子体化学刻蚀与沉积（已大规模工业已大规模工业应用）应用）2.等离子体平面显示器等离子体平面显示器（PDP）（已进入规模生产阶段）已进入规模生产阶段）3.等离子体化工合成及转化等离子体化工合成及转化（O3发生器，已工业化半世纪，发生器，已工业化半世纪，CH4转化，转化，煤转化，等离子体引发聚合，煤转化，等离子体引发聚合，）4.等离子体环境工程等离子体环境工程（燃煤电厂烟气中氮、硫氧化

10、物脱除燃煤电厂烟气中氮、硫氧化物脱除，VOC脱脱除，除，汽车尾气中氮氧化物脱除，汽车尾气中氮氧化物脱除，固体废料处理固体废料处理，）5.纺织品等材料表面的等离子体改性纺织品等材料表面的等离子体改性（已产业化）已产业化）6.等离子体各种新型材料等离子体各种新型材料（金刚石，类金刚石，碳纳（金刚石，类金刚石，碳纳米管，米管，）等离子体化学的主要应用等离子体化学的主要应用6.等离子体增强化学气相沉积等离子体增强化学气相沉积（PECVD）碳纳米管，碳纳米管，纳米线半导体材料纳米线半导体材料（PlasmaNano-Science）（1）化学气相沉积法（主导地位）化学气相沉积法（主导地位）碳纳米管碳纳米管

11、纳米线纳米线（ZnO等纳米线半导体材料）等纳米线半导体材料）（2）等离子体增强化学气相沉积法等离子体增强化学气相沉积法等离子体增强化学气相沉积等离子体增强化学气相沉积由于等离子体在低温下具有高活性的特点,等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术可显著降低薄膜沉积的温度范围.通常条件下,高质量碳纳米管的生长要求800以上的基片温度,若能使该温度降到400以下,则对许多应用非常有利,如可以在玻璃基片上沉积碳纳米管场发射电极.如果能实现低温原位制备碳纳米管,则可能将纳电子器件与传统的微电子加工工艺结合并实现超大容量的超大规模集成电路.甲烷和氢气为原料甲烷和氢气为原料6.等离子体增强化学气相沉积等离

12、子体增强化学气相沉积（PECVD）（续续）金刚石膜化学气相沉积金刚石膜化学气相沉积四面体堆积四面体堆积sp3-s s键键C-C键距键距:1.54d=3.51g/cm3金刚石常温常压下向稳金刚石常温常压下向稳定晶相石墨的转化定晶相石墨的转化无氧无氧,常压常压1,000C方发生方发生Ea170kcal/moleD DH=0.45kcal/moleGDActivationH2（+eorheat）H+HH+CH4CH3+H2Transport+ReactionSubstrateReactantsH2/CH4（20760Torr）（100/1）Diamond（7001,000 C）substratedi

13、amondCH3HatomsH2/HedistrargeCH3N=NCH3/He（1,000 C）DiamondCVDwithHandCH3beamsPeterChenetal.Science,263（1994）1596纳米尺度上针尖状表面特征类金刚石表面制造实验室与日本原子力所先进科学研究中心合作，开展了非平衡薄膜表面制造的研究，成功第地制备了纳米尺度的针状表面、波纹表面，树枝状表面、正弦表面等表面结构，其中波纹表面，是应用薄膜生长过程的自组织过程中直接形成的。（J.Chem.Phys.116,10458，2002）纳米尺度上波纹状表面树枝状表面大面积正弦表面毫米级厚金刚石片制备研究应用PE

14、CVD方法开展金刚石模制备研究开展了多年，对制备过程中物理化学及工艺过程进行了系统研究。可以稳定地制备高质量毫米量级厚度的金刚石片，并用金刚石膜加工成金刚石电子热沉片，热导率高达7.6W/（kcm），可用于大功率电子器件。（PhysicsofPlasma,5,1541,1998、J.Phys.D,31,3327,1998、J.Vac.Sci.Tech.A，20,941,2002）纯金刚石片（直径30mm）半透纯金刚石热沉片10 x10mm2带Si衬底的金刚石厚膜金刚石质量表征NickelFormateRoutetotheGrowthofCarbonNanotubesCarbonnanotube

15、s（CNTs）havebeenconsideredasidealcandidatesformanyapplicationsduetotheiruniqueatomicstructure,aninherentsmalltipradius,highsurfaceareaandaspectratio,excellentchemicalinertnessandmechanicalstrength.1）DepositionoftheCatalystProcessingFigureimageoftheNinanoparticlesonthesurfaceofsiliconsubstrateunderAFM.Theparticlesareformedfr