等离子体(Plasma),作为物质的第四态,由部分或完全电离的气体组成,包含自由电子、离子和中性粒子。在等离子体内部,粒子间的相互作用呈现出高度复杂性,不仅存在电磁相互作用,粒子间的碰撞等过程也频繁发生。在电场和磁场的作用下,等离子体中的带电粒子展现出独特的运动行为,使其表现出与固体、液体和气体截然不同的物理特性,也赋予了等离子体诸多特殊性质与功能。这些特性使得等离子体在能源、材料、环境、医疗等众多领域具有巨大的应用潜力,利用等离子体对材料表面进行改性,可显著提升材料的性能。

等离子体分类

等离子体按其形成过程和温度特性,主要划分为高温等离子体和低温等离子体两个类别。其中,低温等离子体的形成机制主要通过外加能量(例如电场、微波、射频电磁波等)作用,使气体电离并处于非热平衡激发态,其温度接近室温。在放电条件下,气体可发生电离、离解、激发、原子与分子结合以及电子吸附等过程,生成大量活性粒子(如电子、离子和自由基等)。这些粒子相互碰撞,进而引发复杂的物理和化学反应。一个分子的解离通常会涉及多个可逆的基元过程。低温等离子体包含热等离子体和冷等离子体两种形态。

本文主要介绍低温等离子体处理设备的类型(非热等离子体),如图1所示,其主要分为电晕放电等离子体处理设备、介质阻挡放电等离子体处理设备、射频放电等离子体处理设备、辉光放电等离子体处理设备。

低温等离子体

①电晕放电等离子体是在非均匀电场环境下产生的一种局部自持放电现象,一般会在尖端电极周围出现。高强度电池将气体分子电离,产生带电粒子,从而形成电晕放电区域,即电晕放电等离子体,其放电过程较为柔和。电晕放电可以分为正电晕和负电晕,其中负电晕的电子能量较高,能够引发更多的化学反应。电晕放电等离子体存在以下特性:它可以在大气压下产生,操作相对简单;电晕放电的电流密度较小,通常为脉冲形式,放电区域集中在尖端电极附近,形成蓝色光晕。这种等离子体设备结构相对简单,成本较低,易于实现和维护,广泛应用于静电除尘、空气净化和污水处理等领域。然而,电晕放电产生的等离子体密度相对较低,这限制了其在一些需要高密度等离子体的应用。同时,大规模应用时可能面临能耗较高的问题,能量效率有待提高。

②介质阻挡放电等离子体是一种在电极之间放置绝缘介质的放电形式,可以在大气压下产生非平衡态低温等离子体。当施加交流高电压时,在绝缘介质表面积累电荷,阻止电流进一步增大,从而形成微放电通道而产生的等离子体。随着电压的不断变化,微放电通道不断产生和熄灭,形成大量瞬间的微小等离子体区域,这些区域共同构成了介质阻挡放电等离子体。其特点是可以在较低的电压下实现气体的电离,且等离子体的温度较低,适合用于材料表面处理、空气净化和生物医学等领域。介质阻挡放电等离子体处理设备能够产生丰富的活性粒子,并且这些活性粒子在化学反应中具有很高的活性,可促进各种化学反应的进行。然而,由于存在介质阻挡,其功率密度受到一定限制,在处理大规模样品或需要高能量输入的过程中可能存在局限性。

③射频放电等离子体是通过施加射频(通常为13.56MHz)交变电场使气体电离而产生的一种非平衡等离子体。其产生机制主要依赖于射频电场加速电子,当电子能量超过气体分子的电离能时,就会发生碰撞电离,形成等离子体。射频放电具有独特的容性耦合和感性耦合两种模式,可通过调节匹配网络实现模式转换。射频放电等离子体处理设备放电均匀性好,适合大面积处理,且参数(功率、气压等)易于精确控制。然而,其设备成本较高,需要复杂的阻抗匹配网络,且能量效率相对较低(通常为30−50%)。

④辉光放电等离子体是一种在低压气体中发生的气体放电现象,通常在封闭的容器内进行。当两极间的电压足够高时,电子在电场作用下加速,与气体分子碰撞使其电离,产生大量的电子、离子和激发态原子,这些粒子在复合或跃迁过程中发出特征辉光。辉光放电等离子体的主要特点包括:电流密度小,温度较低,放电区域大且连续,等离子体参数易于控制;通过调节电压、电流和气体压强等外部条件,可以精确地调控等离子体的密度、温度和电子能量分布等参数,这使得辉光放电在薄膜制备、表面处理等对等离子体参数要求严格的领域得到广泛应用。虽然辉光放电等离子体处理设备通常需要在低气压环境下进行,这对设备的密封和真空系统提出了较高要求,增加了设备成本。但辉光放电的稳定性较好,能够提供持续、均匀的等离子体环境,能量转换效率高且放电区域大,有利于保证工艺的一致性和产品质量,可促进工业化生产。