等离子体物理及其材料处理
气体放电产生的等离子体是集成电路制备不可或缺的关键技术, 利用等离子体中活性粒子赋予的独特的物理和化学特性, 可为超大规模集成电路制备提供具有定向性、选择性和纳米级精细性的绿色先进加工技术, 大规模应用于其沉积、刻蚀、封装、清洗等工艺制程. 在材料表面改性、新材料制备、生物灭菌消毒、等离子体隐身、医疗器具及人造器官的清洗、臭氧生成、新型光源、废弃物处理等领域也具有极其重要的应用前景, 其低温加工的特性使其成为柔性可穿戴智能材料和器件最合适的加工技术之一.
等离子体材料处理技术与等离子体和材料的相互作用密切相关. 不同的等离子体源及其放电设计具有不同的等离子体温度、密度、活性种类和结构特性, 适应不同种类的材料处理; 不同种类的材料处理对等离子体特性也有不同的要求, 并且反过来影响等离子体放电的过程和特性. 因此需要深入研究等离子体放电技术、等离子体特性诊断、等离子体材料处理的机理等, 特别是针对各种应用需求建立其与等离子体特性的关联与机制, 促进等离子体材料处理技术在精细加工、新材料制备等各领域的应用. 研究方法包括理论数值模拟、诊断和实验研究.
希望本专题能促进等离子体物理及其材料处理技术的进步, 以及与各交叉研究领域的交流, 扩大国内等离子体物理及其材料处理研究的影响, 推动该领域研究的蓬勃发展.
2021, 70 (9): 095205.
doi: 10.7498/aps.70.20202181
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大气压等离子体因具有很多独特优势从而在材料制备和表面工艺领域备受关注. 本文利用大气压针-板电晕放电等离子体射流制备氧化钛(TiO2)薄膜, 研究了电晕极性和放电参数对薄膜特性的影响. 实验测试了正负电晕等离子体射流的电学性能、发展过程和发射光谱, 并对不同条件下制备的TiO2薄膜进行了表征和分析. 结果表明: 负电晕等离子体射流制备的TiO2薄膜表面更均匀而且薄膜中钛(Ti)含量更高. 正负电晕等离子体射流制备的薄膜的结合力均优于4.7 N/cm, 表面电阻低于1010 Ω. 此外, 发现TiO2薄膜在基底表面沉积和在气相中成核存在竞争机制, 并进一步阐述了电晕放电等离子体制备薄膜的成膜机理和不同极性放电的差异. 本文结果将为大气压等离子体制备均匀、致密的功能氧化物薄膜材料提供有益参考.
2021, 70 (9): 095210.
doi: 10.7498/aps.70.20201676
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社会经济的快速发展致使固体废物的产量迅速增加, 传统的处理工艺, 如填埋、焚烧和堆肥等方法, 不仅效率低下, 而且存在着二次污染和资源浪费等诸多问题, 因此, 急需探索新的固体废物处理技术. 等离子气化技术因具有高效、环保和能源转化率高等特点而被应用于固体废物的处理. 本文介绍了等离子气化技术处理固体废物的背景与意义, 综述了等离子气化技术在不同固体废物处理中的应用, 就国内外等离子气化技术水平与研究进展进行了详细的阐述, 并对目前等离子气化固体废物应用中存在的问题进行了着重分析. 综合多方面因素指出等离子气化技术是固体废物资源无害化处理的有效方式.
2021, 70 (9): 095213.
doi: 10.7498/aps.70.20210546
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容性耦合等离子体技术广泛应用在半导体工业、生物医药、环境等领域, 是不可替代的核心处理技术. 基于电非对称双频源驱动的容性耦合等离子体因其可以实现离子能量和离子通量的相对独立调控而一直被寄予厚望. 本文采用一维流体耦合蒙特卡罗模型和刻蚀槽模型, 对基于电非对称效应的双频容性耦合CF4/Ar混合气体放电进行了模拟研究. 研究表明, 随着电极间距的增大, 自偏压的绝对值和电负性均减小. 此外, 由于放电区域变大但边界损失保持不变, 会导致外部馈入功率显著增加和等离子体密度增大. 本文采用CF4/Ar混合气体, 其中Ar含量很高, 气体电负性不是很高, 因此放电模式在不同的电极间距下都是 α 模式和双极扩散模式的共同作用. 在电极间距逐渐变大的过程中, 因为自偏压的变化导致离子能量分布中最大离子能量减小并且离子能量展宽变窄, 功率极板处离子通量的变化不明显, 中性基团通量的增大十分显著, 这些变化最终导致相同时间内的刻蚀速率和形貌发生改变. 所以, 在未来研究中, 不仅离子能量和通量的独立控制, 优化离子通量和中性基团通量的协同作用达到调节刻蚀速率、改善刻蚀形貌同样是重要研究内容.
2021, 70 (9): 095206.
doi: 10.7498/aps.70.20202247
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感性耦合等离子体源具有放电气压低、等离子体密度高、装置结构简单等优点, 因此常被用于材料刻蚀及表面处理工艺中. 为了深入了解感性耦合等离子体的特性及其与表面的相互作用, 数值模拟成为了目前人们普遍采用的研究手段之一. 针对具体问题, 可以选择不同的模拟方法, 如整体模型、流体力学模型、流体力学/蒙特卡罗碰撞混合模型、偏压鞘层模型、粒子模拟/蒙特卡罗碰撞混合模型等. 其中, 整体模型计算效率最高, 常被用于模拟复杂的反应性气体放电. 但整体模型无法给出各物理量的空间分布, 因此二维及三维的流体力学模型, 也得到了人们的广泛关注. 在低气压等极端的放电条件下, 由于电子能量分布函数显著偏离麦氏分布, 则需要耦合蒙特卡罗碰撞模型, 来精确地描述等离子体内部的动理学行为. 此外, 通过耦合偏压鞘层模型, 还可以自洽地模拟鞘层的瞬时振荡行为对等离子体特性的影响. 对于等离子体中的非局域及非热平衡现象, 则需要采用基于第一性原理的粒子模拟方法来描述. 最后对目前感性耦合放电中的前沿问题进行了展望.
2021, 70 (9): 095214.
doi: 10.7498/aps.70.20210473
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容性耦合等离子体放电因在工业界有重要的应用价值而受到广泛关注. 对于容性耦合等离子体放电的研究主要集中于对等离子体参数的控制, 以实现更好的工艺效果, 例如高深宽比刻蚀等. 而关于等离子体参数的调控主要分为气体、腔室以及源这三个方面. 改变这些外部参数, 可以直接影响鞘层的动力学过程以及带电粒子的加热过程, 进而实现对电子和离子能量、通量, 等离子体均匀性, 中性基团的密度等的控制, 最终提高工艺质量和生产效率. 本文梳理了近些年容性耦合等离子体研究的几个主要方向, 尤其对等离子体放电中非常基础且重要的电子加热动力学问题进行了详尽的讨论, 并重点介绍了一些通过外部放电参数调控容性耦合等离子体放电的手段和相关的研究热点.
2021, 70 (9): 097201.
doi: 10.7498/aps.70.20201809
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利用自行研制的强磁场螺旋波等离子体化学气相沉积装置(HWP-CVD), 通过改变等离子放电参数, 实现多种碳基薄膜制备. 利用朗缪尔探针、发射光谱以及质谱对Ar/CH4等离子体放电进行原位诊断; 用扫描电子显微镜和拉曼光谱对碳基薄膜进行表征. 结果表明: 在给定参数下, 等离子体放电模式均为螺旋波放电模式; 在给定CH4流量下, 等离子体中电子能量分布均足以使甲烷分子离解, 并形成含碳活性自由基. 通过CH4流量调整, 实现了不同碳基薄膜的制备. 研究表明: 当等离子体中富含CH和H自由基时, 适合类金刚石薄膜生长; 当等离子体中富含C2自由基和少H时, 适合垂直石墨烯纳米片生长. 根据等离子体诊断和薄膜表征结果, 提出了Ar螺旋波等离子体作用下甲烷分子的裂解机理, 建立了碳基薄膜的生长模型; 验证了Ar/CH4–HWP在碳基纳米薄膜制备中的可行性, 为HWP-CVD技术制备碳基纳米薄膜提供借鉴.
2021, 70 (9): 095208.
doi: 10.7498/aps.70.20202078
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等离子体态物质富含高反应活性粒子群, 包括电子、离子、自由基、光子等, 是催化或直接参与化学反应的重要因子, 在化学合成与材料改性领域有重要应用价值, 往往可以使热平衡条件下难以发生, 甚至不能发生的化学反应, 在等离子体催化下得以发生和加速. 常规条件下的石墨烯就是低反应活性物质, 往往需要在高温甚至高压和强酸强碱条件下才能发生化学反应, 对于新型石墨烯衍生材料的合成与改性是一个束缚. 而等离子体催化石墨烯反应, 可以在常温常压无腐蚀性条件下, 引发石墨烯的还原、氧化、缺陷修复、掺杂、接枝、外延生长和交联等一系列化学反应, 为石墨烯功能化改性及其新型复合材料合成提供了更多可能性, 值得深入探索. 过去十多年, 等离子体在石墨烯合成与改性方面的研究报道并不鲜见, 特色鲜明, 然而, 较多的报道停留在技术路线的尝试以及结果呈现层面, 化学反应动力学研究鲜有涉及, 本文对这些研究报道进行综合论述, 主要是对部分代表性研究结果的再报告和总结性讨论, 旨在促进相关领域的深入研究.
2021, 70 (9): 095212.
doi: 10.7498/aps.70.20210585
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通过低温等离子体聚合交联作用, 制备了基于PDMS@ZnO纳米颗粒复合涂层的超耐久、自修复超疏水涤纶纤维. 研究了制备工艺对超疏水性、自修复性以及涂层的耐久性和稳定性的影响. 结果显示, PET-g-PDMS@ZnO织物表面的水接触角(WCA)可达162.7°, 滚动角(SA)为7.5°, 经过300次水洗循环和1300次摩擦循环后仍然保持超疏水特性, WCA和SA分别为150.0°和35.0°. 分别采用等离子体和加热方法对磨损破坏的涂层进行自修复处理, 结果表明等离子体修复效果明显, 而热修复只在小载荷下效果明显, 并利用扫描电子显微镜、纳米压痕以及X射线光电子能谱测量结果探讨了自修复机理. 该研究为等离子体技术在超疏水织物制备中的开发和应用提供理论和技术支撑.
2021, 70 (9): 095203.
doi: 10.7498/aps.70.20202233
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等离子体技术在现代材料制备和表面处理过程中起着重要的作用. 本文聚焦于非热等离子体(NTP)材料表面处理及功能化应用, 重点综述NTP在材料表面处理及功能化过程中的最新研究进展, 包括激励产生等离子体的等离子体源、NTP材料表面处理及功能化工艺以及具体应用. 其中, 激励产生等离子体的等离子体源包括感应耦合等离子体/容性耦合等离子体、电子回旋共振/表面波等离子体、螺旋波等离子体、大气压射流等离子体和介质阻挡放电等; NTP材料表面处理及功能化工艺包括等离子体表面接枝和聚合、等离子体增强化学气相沉积和等离子体辅助原子层沉积、等离子体增强反应刻蚀和等离子体辅助原子层刻蚀工艺等; 等离子体表面处理及功能化的具体应用领域包括亲水/疏水表面改性、表面微纳加工、生物组织表面处理、催化剂表面处理等. 最后提出了NTP技术材料表面处理及功能化的应用前景与发展趋势.
2021, 70 (9): 095201.
doi: 10.7498/aps.70.20201790
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分别采用Stark展宽法、图像法诊断等离子体电子密度, 研究常压针-板放电等离子体电子密度随放电参数的演化. 实验结果表明, 降低电源的脉冲频率, 减小等离子体的电极间距和采用细径电极, 都有助于提高等离子体密度. 利用全局模型分析影响电子密度变化的因素可知, 随着脉冲频率的下降, 等离子体放电体积减小, 导致电子密度上升. 在电极间距减小的过程中, 电子密度变化则是降低等离子体吸收功率与减小放电体积共同作用的结果, 其中放电体积的减小起到了更为主导的作用, 导致电子密度上升. 此外, 采用细径电极也可以使等离子体放电体积减小, 从而有利于获得较高的电子密度.
2021, 70 (9): 095211.
doi: 10.7498/aps.70.20202248
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光谱诊断在等离子体刻蚀、材料处理、等离子体设备和工艺开发, 以及航天等离子体推进等领域得到了广泛的应用. 光谱诊断依赖的碰撞辐射模型会受到碰撞截面等基础物理数据所含偏差的影响, 导致诊断结果出现误差. 针对这一问题, 本文开发了一种基于前馈神经网络的等离子体光谱解算方法. 通过对比新方法与以往常用的最小二乘诊断方法的误差特性, 发现神经网络诊断方法能够通过辨识光谱向量的主要特征, 减小基础数据偏差向诊断结果的传递. 对实验光谱数据的分析进一步印证了这一点. 本文还对神经网络算法对抗基础数据偏差的机理进行了分析. 这种方法在等离子体参数在线监测、成像监测海量数据处理等领域具有良好的应用前景.
2021, 70 (9): 099401.
doi: 10.7498/aps.70.20210077
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柔性多孔材料在当今众多前沿科学与技术领域发挥着重要作用, 其表面改性将进一步赋予其多样和优异的表面性能, 拓展其在功能和智能可穿戴等领域的应用. 常压等离子体技术由于低温、低能耗、高效、环保、低成本、不改变材料本体特性、易于实现卷对卷制备等优势, 在应用环境、样品材料选择上展现出良好的适应性, 在低熔点柔性材料大面积低成本表面处理方面具有很好的应用前景和研究价值. 本文综述了近年来常压等离子体柔性多孔材料表面改性的几个实例及在新材料、新能源、环保、生物医学中的应用. 探讨了柔性多孔材料常压等离子体均匀处理所遇到的稳定性及渗透性的问题与挑战. 综述了本课题组在常压等离子体稳定放电、卷对卷常压等离子体多孔介质处理及内部渗透性和均匀性方面的研究工作, 介绍了本课题组在常压等离子体纳米颗粒膜沉积动力学及膜结构调控方面的突破和思路. 常压等离子体柔性多孔介质表面处理技术走向应用仍然存在诸多挑战, 需要结合常压等离子体的放电方式及特性、处理材料的结构及加工特性、等离子体和材料的相互作用等来进行综合考虑, 才能提供合理可行的解决方案.
2021, 70 (9): 098104.
doi: 10.7498/aps.70.20202245
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随着半导体芯片特征尺寸的持续减小, 低介电常数的多孔材料在微电子领域得到广泛应用. 然而, 多孔材料在等离子体刻蚀工艺中面对严峻的挑战. 等离子体中的活性自由基很容易在多孔材料内部扩散, 并与材料发生不可逆的化学反应, 在材料内部造成大面积损伤. 本文介绍了业内比较前沿的低温刻蚀技术, 通过降低基片台的温度, 使得刻蚀产物或者刻蚀前驱气体在多孔材料内部凝结成液态或者固态, 进而在等离子体刻蚀过程中, 阻止活性自由基在材料内部的扩散, 保护多孔材料免受损伤. 刻蚀完毕后, 再通过升高基片台的温度, 使凝结物挥发, 得到完整无损的刻蚀结构. 这一刻蚀技术只需要控制基片台的温度, 无需增加工艺的复杂度以及调整等离子体状态, 在半导体工艺中具有较好的应用前景.
2021, 70 (9): 095202.
doi: 10.7498/aps.70.20202246
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通过实验和数值模拟研究了大气压脉冲放电等离子体射流, 其中在脉冲电压上升沿阶段的放电中形成等离子体子弹并向接地电极输运, 其传播速度在104 m·s–1量级. 数值模拟研究还发现等离子体子弹邻近区域内增强的电场强度可达到106 V·m–1, 说明等离子体子弹的形成主要由放电空间局域增强的电场导致, 在接地电极附近会得到进一步增强. 放电空间的电子密度时空演变过程揭示了等离子体子弹经过的区域会保持较高的电子密度, 说明等离子体子弹的拖尾现象; 而等离子体子弹头部增强的电子产生率与局域增强的电场强度对应, 这说明了等离子体子弹产生的动力学过程. 该大气压脉冲放电等离子体射流中等离子体子弹的特性和机理研究为发展大气压等离子体射流提供了理论和技术基础.
