等離子體處理納米材料的優(yōu)勢

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)表時間：2023-04-17

納米材料是指在3D中至少有1D處于納米尺度范圍（1-100nm），因為尺寸接近電子的相干長度、尺度接近光的波長和具有大表面的特殊效應(yīng)，所以它的特性（熔點(diǎn)、磁性、光學(xué)、導(dǎo)熱和導(dǎo)電特性等）不同于宏觀狀態(tài)（大塊固體）表現(xiàn)的特性。納米粒子異于大塊物質(zhì)主要是因為其表面積相對增大，超微粒子的表面布滿了階梯狀結(jié)構(gòu)，擁有高表面能的不安定原子，極易與外來原子吸附鍵結(jié)，這樣就縮小粒徑而提供了大表面的活性原子。納米材料在應(yīng)用時可以直接使用，被稱為第四代催化劑的超微顆粒催化劑，因為其優(yōu)越的比表面積與活性可以有效地提高催化效率和反應(yīng)效率。例如，超細(xì)的銀粉、鎳粉輕燒結(jié)體作為化學(xué)電池、燃料電池和光化學(xué)電池中的電極，可以增大接觸面積，增加電池效率，便于電池的小型化。納米技術(shù)包括納米材料技術(shù)及納米加工技術(shù)。納米材料技術(shù)著重于生產(chǎn)納米功能性材料（如超微粉、鍍膜、納改性材料等）和性能檢測技術(shù)（化學(xué)組成、微結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)、物、化、電、磁、熱及光學(xué)等）。納米加工技術(shù)則主要有精密加工技術(shù)（能量束加工等）和掃描探針技術(shù)。

等離子體處理納米材料的優(yōu)勢

低溫等離子體技術(shù)具有高效、常溫、環(huán)境友好等突出性能并成為當(dāng)前一種有效制備材料的手段，并廣泛應(yīng)用在燃料電池、傳感器、環(huán)境污染物治理、生物醫(yī)學(xué)等方面。特別是，等離子體處理材料的表面改性，可以使材料具有新的性能，經(jīng)過等離子體處理后，可以提高光電材料表面的功函數(shù)，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)用材料及光電材料領(lǐng)域。

與其他種類的單質(zhì)氣體不同，等離子體包括三種粒子：自由電子，正離子和中性粒子。實(shí)驗室的等離子體依據(jù)電子和離子的溫度可以把等離子體分為兩種：熱等離子體和低溫等離子體。在輕度的等離子體電離系統(tǒng)中，離子的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于等離子體的溫度，所以被稱為低溫等離子體，溫度不超過5000K；但在強(qiáng)等離子體電離系統(tǒng)中，電子的溫度和離子的溫度都非常高，因此被稱為熱等離子體，溫度一般可以達(dá)到45000K，被應(yīng)用于人工可控磁約束聚變，此反應(yīng)發(fā)生在托卡馬克、恒星旋轉(zhuǎn)裝置中，但這與材料的合成幾乎沒有關(guān)系。在低溫等離子體中，電子經(jīng)過各種碰撞使粒子發(fā)生離解，電離和激發(fā)，最終在等離子體中形成各種粒子并應(yīng)用于沉積等工藝過程中。比如（1）高能離子，濺射材料和加熱襯底；（2）電子，使化學(xué)反應(yīng)發(fā)生；（3）光子，加熱襯底和引起光化學(xué)反應(yīng)；（4）高活性自由基，沉積襯底或腐蝕材料；（5）未離解的部分氣體，沉積在襯底并發(fā)生反應(yīng)。這些粒子使等離子體比基態(tài)沾物種更加活躍，因此?？梢圆挥酶邷丶訜醽砭涂梢允褂行┬枰邷夭欧磻?yīng)的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。與其他方法相比低溫等離子體技術(shù)具有很多獨(dú)一無二的特性：如高能粒子密度、低能需求、強(qiáng)催化劑活性化、操作時間短和無污染等。它可以使材料表面而得以改善而不改變其本質(zhì)。但高溫處理法就可以使材料本質(zhì)發(fā)生改變。而且，不同種類的氣體都可以作為等離子體源，有些氣體作為等離子體源可以產(chǎn)生許多元素來調(diào)整碳納米管的和石墨烯的性能，被稱為“催化劑”。等離子體中的高能電子可以誘發(fā)自由基在常溫常壓下不易發(fā)生反應(yīng)的前體和產(chǎn)物。低溫等離子體沉積的優(yōu)勢主要是因為電子的速度大于離子的速度，所以，等離子體比一般的處在等離子體區(qū)域中待處理的物質(zhì)更活躍，就在物質(zhì)表面形成了薄鞘層，產(chǎn)生了電勢和電場，離子和電子就在鞘層區(qū)加速轟擊表面是薄膜密度增加而且也無污染，進(jìn)而提高了材料的性能。所以等離子體中的化學(xué)反應(yīng)更易于實(shí)現(xiàn)和控制而且無污染。大量的研宄表明：用等離子體合成的物質(zhì)性能比一般的化學(xué)方法合成的性能好。這使等離子體技術(shù)在將來的化學(xué)領(lǐng)域占據(jù)了越來越重要的位置，特別是在微觀科學(xué)界和納米材料方面被視為最有潛力的技術(shù)。

等離子體處理一般的材料只局限于表面，若要將材料充分處理，需要將材料制成非常薄的膜狀結(jié)構(gòu)，厚度將近于數(shù)個原子尺寸級別的，要達(dá)到這種效果不論在技術(shù)上還是成本上都是非常困難的。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，納米顆粒材料也不斷吸引著許多領(lǐng)域科學(xué)家的眼球，尤其是其具有1-100nm的尺寸，而且粒子間可以更好地運(yùn)動，原子間隙大的原子個數(shù)也比一般的材料中的粒子間的距離大的原子數(shù)多很多，比表面積也大很多。這種結(jié)構(gòu)大大提高了等離子體處理材料的效果。因為等離子體實(shí)質(zhì)是電子、原子和中性粒子間的各種反應(yīng)，納米材料在在等離子體處理過程中加大了粒子間的反應(yīng)接觸面積，使反應(yīng)更加有效地，充分地進(jìn)行。等離子體可以改變納米材料因放置和熱處理發(fā)生的凝聚和團(tuán)聚，因為納米材料的團(tuán)聚會影響納米材料的本來的優(yōu)越活性。傳統(tǒng)的納米材料的表面改性可分為（1）表面覆蓋改性，借助表面活性劑將高分子物質(zhì)，無機(jī)物，有機(jī)物等新物質(zhì)覆蓋于粒子表面，改變粒子表面的性質(zhì)。（2）外膜層改性，通過給粒子表面包裹一層其他不同物質(zhì)的薄膜，來改變離子表面性能。（3）表面化學(xué)接枝改性，通過在粒子表面接枝不同功能的基團(tuán)來改變粒子表面性能。（4）機(jī)械化學(xué)改性，通過粉碎摩擦來改變粒子表面性能。（5）高能量表面改性，通過高能電暈放電、紫外線、等離子體射線對粒子表面進(jìn)行改性。（6）沉積反應(yīng)進(jìn)行表面改性。

等離子體作為物質(zhì)的第四態(tài)以它獨(dú)特的形式存在于整個宇宙中。它的性質(zhì)、放電原理、放電裝置決定了它在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，特別是在光學(xué)，納米材料等領(lǐng)域的應(yīng)用。等離子體處理表面的厚度僅由幾納米到幾十納米，不會對材料本體產(chǎn)生任何影響，對環(huán)境友好，無污染。有研宄表明，等離子體在處理材料時會在材料表面產(chǎn)生自由基。低溫等離子體處理納米粉體材料的方法就是在其表面引入活性基團(tuán)，引發(fā)接枝聚合反應(yīng)，并使材料的表面性能得以改善。