等離子體與材料相互作用

文章出處：等離子清洗機廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發表時間：2022-05-10

等離子體和材料之間的界面是一個非常復雜的環境,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生協同相互作用，在這些協同相互作用中，起主導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生的反應得以發生。多種等離子體基元在非熱平衡條件下的協同相互作用使得在相對低的溫度條件下進行特殊材料合成、改性及制備微細圖形。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有著錯綜復雜的關系，這是由于離子、原子和分子等基元的能量、相對流量和化學成分決定了它們在表面的反應活性。表面的反應速率偏向于依賴到達表面的基元的電子態和振動態。等離子體流-材料表面之間的相互作用和固體物理、化學和表面科學等學科之間都有緊密的關系。等離子體和表面的反應既取決于與等離子體作用的物體表面的電子能帶結構、表面和塊體的成分和結構，也取決于吸附到表面的等離子體基元以及穿過復雜反應層在表面.上形成的激元的擴散能力和反應能力。

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

(1) 背反射:粒子進入材料表面后會和材料原子發生--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，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合能量，即可能從壁表面逃逸出，進入等離子體區，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。

(4) 化學濺射:入射粒子和固體表面物質結合，發生化學反應，形成可揮發的分子。化學濺射與入射粒子能量、粒子流以及材料溫度有關。

(5) 輻射增強升華:在高能粒子的轟擊下，材料內部將產生間隙原子和空穴。當材料溫度較低時，間隙原子和空穴很快復合;當材料溫度較高時，間隙原子向材料表面運動，間隙與周圍原子的結合能低，可以熱解吸，這就是輻射增強升華。

(6) 起泡:當一定能量的氣體離子進入在固體內一定深度植入，并逐漸累積，當劑量達到一定程度時，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象，導致金屬材料嚴重損傷，產生大量金屬雜質;起泡同時可以改變金屬材料性質，減小金屬的熱傳導性。

(7)輻射損傷:高能中子的長期照射會使壁材料原子核發生位移，產生腫脹、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，從而濺射出雜質粒子。雜質粒子在等離子體區電離，然后在電場和磁場作用下運動(雜質的輸運)，--部分電離的雜質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、分子物理,原子物理等學科密不可分的交叉研究領域。等離子體與材料表面的復雜相互作用，由于可以同時改變等離子體和材料表面的狀態影響等離子體的應用,而一直被認為是等離子體科學領域的一個非常重要的研究課題。