| 单词 | 等离子体化学 |
| 释义 | 【等离子体化学】 拼译：plasma chemistry 1929年朗谬尔(Langmuir)在观察气体放电正柱中带电粒子的振荡现象时，把具有自由的正、负带电粒子密度相等的正柱称之谓等离子体。实际上，它是部分电离或完全电离了的气(汽)体，通常称为物质的第4态，一般是电子(有时存在负离子)、正离子、原子(或分子)、原子团(活性基)、激发的原子(分子)以及光子等粒子的混合体。 早在200多年前，人们就注意到在气体放电中会产生某些特殊的化学反应。1758年探测到在空气的火花放电中会形成臭氧；1785年通过气体放电制备氧化氮(NO)；1859年让氮和氢的混合气体通过两碳电极间的电弧放电获得了氢氰酸(HCN)；1963年由氢气通过两碳电极之间的电弧而合成乙炔。在20世纪60年代前，曾使用过“气体放电化学”的名词。随后，逐渐应用了“等离子体化学”一词。所谓等离子体化学是研究在等离子体中的各种化学反应，包括等离子体内粒子间的反应；粒子与置于等离子体中固体间的反应。应该说，它是涉及到化学、物理以及真空、材料等工程科学的一门分支、交叉学科。它是由等离子体物理渗入化学领域后形成的。它的应用从半导体、集成电路开始，逐渐扩大到材料科学、薄膜器件等方面。通常等离子体化学主要是指低温等离子体化学。在低气压下，等离子态属非平衡态，而在较高气压下，则属平衡态。随着气压的增加，等离子体由非平衡态向平衡态过渡。等离子体化学的特征是：等离子体中，具有各种高能粒子，而且能量分布范围较宽。从而，可获得比化学燃烧高5倍以上的温度，加热速度比化学燃料快10倍，这就减少了反应中的热损失；物料离开等离子体时能以高速冷却，这种骤冷作用促使生成物“冻结”，从而变得稳定；由于高能粒子的参与反应，反应速度加快，时间可从几小时缩短到几分之一秒。利用等离子体化学有可能进行通常热化学较困难，甚至不可能进行的化学反应。等离子体化学的另一特征是，由于具有多能量、多种类别的粒子，因此难以对化学反应进行选择性地控制。低温等离子体又分为属平衡态的热等离子体与属非平衡态的冷等离子体。利用热等离子体化学可以制备超微粒材料。所谓超微粒子，一般是指粒径小于1μm的超细粉末。由于等离子体与周围区域间有着大的温度梯度，加热后的材料急速冷却，形成超微粒材料。SiH4或SiCl4和CH4的等离子体中，进行分解反应，从而获得SiC。用类似的方法，可合成WC、TiC、MoC、TaC和NbC等碳化物。TiCl可在氧等离子体中进行氧化，获得TiO2，用同法也可获得SiO2。用纯金属在等离子体中蒸发后进行氧化，从而获得氧化物的超微粒子。在氧化物和氮或氨的等离子体中可合成氮化物如Si3N4、TiN、BN和AlN等。如把TiCl和BCl送入氢的等离子体中，也可合成TiB。将ZrSiO4送入等离子体中，经熔融后进行急速冷却，生成ZrO2和SiO2，经湿式处理后可获得高纯度的ZrO2微粒。利用冷等离子体化学可以进行等离子体化学气相沉积，制备各种薄膜材料。它最早应用于半导体工业上，如利用有机硅化合物在半导体材料的基片上沉积出SiO2。继后又沉积出Si3N4、Si、SiC、磷硅玻璃等。根据不同的功能，可制备出各种不同用途的功能薄膜材料。如用于太阳能电池的α-Si∶H，其他还有μc-Si、α-SiC∶H、α-SiGe∶H等材料。还有，作为硬质膜和装饰膜的TiN、TiC等；作为保护膜的A12O3；压电膜ZnO等。近年来，对超导薄膜和金刚石薄膜的研究开发引起人极大注意，特别是金刚石薄膜，它具有多方面的优异特性。在冷等离子体中，大多数的有机化合物都可以发生聚合反应，它以不饱和化合物和芳香化合物的聚合速度为最快。聚合物薄膜可沉积于玻璃、石英等非金属基片上，也可在Al、钢以及其它金属或合金表面上沉积。许多用通常方法不发生聚合的单体(如全氟丁烷、苯胺、三氯乙稀等)在等离子体作用下也都发生了聚合。聚合膜可用于半导体、环境保护、装饰、光学、生物以及传感器等方面。固体材料在等离子体中可以进行表面处理，在无机材料方面，如金属、半导体表面的氮化和氧化。钢在氮或氢的等离子体中进行处理，表面生成几μm的氮化物，它被认为是Fe4N或ε-Fe2－3N，其硬度为钢的2倍。同样在Ti和Zr的表面可生成TiN和ZrN，其硬度高达1500kb／mm2以上。硅在氮或氮和氢的等离子体中，其表面可生成Si2N4。Al、Ta和Si等在氧的等离子体中可生成不同的氧化物。在有机材料方面，较多的是利用等离子体对高分子材料进行表面改性(改质)，以获得各种表面功能。如聚四氟乙稀、聚脂、尼龙等表面的粘着性；纤维等高分子材料的染色性、印刷性；聚乙稀、硅树脂等的亲水性等。利用等离子体还可以进行材料表面的刻蚀。如Si、Si3N4在CF4的等离子体中；SiO2在CF4与O2的等离子体中的刻蚀。至今，对于等离子体化学的理论研究落后于它的应用。研究的困难主要在于等离子体中存在着各种活性粒子，而且它们的能量分布较宽，难以控制单一反应的进行。并且，需要较好的检测手段，包括气相中的和对固体表面上的反应过程检测。根据实验检测获得的信息，进行理论分析研究，从而搞清等离子体化学反应的机制；反应和反应参数之间的关系；研究如何控制反应的进行。另一方面需要研究等离子体的参数(如电子温度、电子密度)的检测和它们与放电条件间的关系(如功率、气压与流量、频率及装置的结构等)。随着理论与实验研究的深入，等离子体化学的应用必将有更广泛的前景。【参考文献】：1 Hollahan J R，Bell A T．Techniques and Application of Plasma Chemistry．New York：John wiley and Sons，19742 穗積啟一郎．化学の领域增刊111号．南江堂，19763 Engel A．Electric Plasmas-Their Nature and Uses．London：Taylor and Francis，19834 李学丹．化学通报，1991，5∶17～19(浙江大学李学丹副教授撰) |
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