等離子體處理會(huì)與材料表面產(chǎn)生哪些作用？

文章出處：等離子清洗機(jī)廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時(shí)間：2023-02-16

等離子體由帶電粒子和中性活性基團(tuán)組成，在等離子體處理固體材料時(shí)，自由基與固體表面可發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，高能粒子可以通過(guò)物理反應(yīng)轟擊固體材料表面并進(jìn)行能量傳遞。等離子體與固體材料的作用效果取決于等離子體的密度、粒子的能量、固體的材料組成以及材料的功能結(jié)構(gòu)等。由于等離子體內(nèi)部的粒子能量有限和固體表面的致密結(jié)構(gòu)等原因，等離子體對(duì)材料的處理深度僅局限在固體的表層，因此能保證深層的基體的原有的性能，同時(shí)賦予材料表面新的性能，所以等離子體和材料的表面作用對(duì)新型材料的研發(fā)和探索具有重要意義。根據(jù)等離子體與材料表面反應(yīng)的種類可分為：物理作用、化學(xué)作用和能量的傳遞作用。

等離子體與材料表面的物理作用

等離子體與固體材料表面的基本作用過(guò)程如圖1.1所示，總的來(lái)說(shuō)等離子體與材料表面的反應(yīng)屬于物理反應(yīng)的即物理作用，高能量的粒子與固體表面發(fā)生碰撞，能量轉(zhuǎn)移給固體表面的晶格原子，可以產(chǎn)生瞬時(shí)的歧化反應(yīng)，進(jìn)而對(duì)在常態(tài)下難以發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)有一定的促進(jìn)作用，物理作用一般包括吸附與解吸附、濺射、刻蝕、激發(fā)和電離。

圖1.1 等離子體與材料表面相互作用過(guò)程

（一）吸附（Adsorption）和解吸附(Desorption)
吸附和解吸附是兩個(gè)相反的過(guò)程，都是等離子體與材料表面處理中的重要過(guò)程，往往決定著表面過(guò)程的最后性能。吸附過(guò)程一般可以分為物理吸附和化學(xué)吸附，其基本的物理吸附力是來(lái)自于入射離子和材料固體表面粒子之間的范德華力，屬于弱相互作用力，所以通過(guò)物理吸附的粒子與材料表面的結(jié)合能較小，易在固體表面擴(kuò)散?；瘜W(xué)吸附是指等離子體中的活性粒子通過(guò)物理加速，撞擊到固體材料表面，使表面分子或原子的化學(xué)鍵打開(kāi)，形成新的化學(xué)鍵。通常，等離子體與固態(tài)材料的表面反應(yīng)的吸附反應(yīng)是先發(fā)生物理吸附，粒子在固體表面占據(jù)點(diǎn)位，位點(diǎn)和空位點(diǎn)形成粒子的濃度差，粒子向空點(diǎn)位擴(kuò)散，在擴(kuò)散的同時(shí)易形成新的化學(xué)鍵，所以擴(kuò)散與化學(xué)吸附一般同時(shí)進(jìn)行，同時(shí)停止。

解吸附是吸附的逆過(guò)程，當(dāng)?shù)入x子體中的粒子吸附在固體材料的表面時(shí)，由于吸附依靠的主要是短程力-范德瓦爾力，能量較弱，當(dāng)有新的高能電子、粒子再次撞擊固體材料表面時(shí)，能量可傳遞給已占據(jù)位點(diǎn)的粒子，當(dāng)傳遞的能量足夠克服范德瓦爾力或者化學(xué)鍵能時(shí)，粒子就會(huì)從位點(diǎn)被解離出來(lái)，稱為解吸附。

（二）濺射(Sputtering)
濺射是指等離子體中的放電粒子與表面固體相互作用，發(fā)生動(dòng)量轉(zhuǎn)移的過(guò)程。隨著功率的增加，離子和電子的能量逐漸增加，由于電子的質(zhì)量較小可忽略，離子具有足夠的動(dòng)量與材料表面的固體微粒相碰撞，可以穿過(guò)固體表面微粒的晶格，發(fā)生碰撞聯(lián)級(jí)，再通過(guò)能量的傳遞，把離子的能量傳遞給相鄰位點(diǎn)的原子，當(dāng)傳遞的能量高于原子的結(jié)合能時(shí)，原子易脫離束縛，被高能離子從固體材料表面濺射出來(lái)。在進(jìn)行具體的工藝流程的時(shí)候，可以通過(guò)離子入射的方向來(lái)控制濺射的產(chǎn)出率，產(chǎn)率隨著偏轉(zhuǎn)角的減小而增大，最大產(chǎn)出率就是當(dāng)離子的入射為0°（直射）的時(shí)候。

（三）刻蝕(Etching)
等離子體刻蝕是基于等離子體中的高能離子、電子或活性自由基與固體表面發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)，對(duì)固體材料表面進(jìn)行物理、化學(xué)和離子刻蝕。一般進(jìn)行刻蝕時(shí)，材料被暴露在等離子體中，材料表面同時(shí)接受離子和電子的轟擊，當(dāng)離子轟擊材料表面時(shí)，除了物理撞擊會(huì)產(chǎn)生速率較低的物理刻蝕，活性離子還會(huì)與材料表面的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成易揮發(fā)的物質(zhì)。高能電子轟擊材料表面時(shí)，其主要作用是與固體材料表面碰撞，產(chǎn)生了活性基團(tuán)，活性基團(tuán)可以沿著固體表面擴(kuò)散和吸附，反應(yīng)產(chǎn)生的揮發(fā)性產(chǎn)物變成氣體，更易抽去，其本質(zhì)也屬于化學(xué)反應(yīng)，因此化學(xué)刻蝕比物理刻蝕的速率更快。

離子和電子與材料表面的化學(xué)反應(yīng)

等離子體與固體材料表面的化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)：表面中性原子或分子之間的化學(xué)鍵的斷開(kāi)和新化學(xué)鍵的形成。等離子體處理固體材料時(shí)發(fā)生的化學(xué)的反應(yīng)的數(shù)量和種類十分復(fù)雜，主要根據(jù)電子的轉(zhuǎn)移可分為氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)、分解和裂解反應(yīng)、聚合反應(yīng)。

以上資料由國(guó)產(chǎn)等離子清洗機(jī)廠家納恩科技整理編輯?。?！等離子體處理是一種常用的材料表面改性方法，主要利用等離子體中的自由基和離子與材料表面發(fā)生反應(yīng)，引入新的官能團(tuán)，從而改善材料表面化學(xué)和潤(rùn)濕性能。

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