第二章低溫等離子體中的基礎(chǔ)過程

2.1等離子體中的碰撞

等離子體是多組元弱相互作用粒子的集合體.任何等離子體化學(xué)反應(yīng)都涉及碰撞過程.正是由于碰撞中的能量轉(zhuǎn)移改變著粒子的化學(xué)活性，影響著反應(yīng)過程。下面從能量轉(zhuǎn)換的角度概述。2.1.1等離子體中的能量流1.特征：電子溫度數(shù)個(gè)ev，等離子體密度：P43圖2.1等離子體中的能量流2.電子服從麥?zhǔn)戏植迹罕硎締挝荒芰繀^(qū)間內(nèi)的電子數(shù)占總電子數(shù)的百分率。表示電子平均能量（探針法等測定）。P44圖2.2給出了關(guān)系.3.注意：電子能量超過1ev時(shí)，有可能把束縛態(tài)電子由基態(tài)激勵到高能態(tài)。當(dāng)電子能量是足夠多時(shí)，就會導(dǎo)致分子的離解或電離。

4.我們要關(guān)注的是：粒子內(nèi)態(tài)變化所產(chǎn)生的活性種及其進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。2.1.2碰撞的基本概念和特征量⑴碰撞中的能量轉(zhuǎn)移i)彈性碰撞中的能量轉(zhuǎn)移：設(shè)靶粒子碰前不動，由彈性碰撞理論（總動能和總動量守恒）

解得：則碰后粒子的動能：碰前粒子動能：結(jié)論：①當(dāng)時(shí),即輕粒子在同重粒子碰時(shí)極少能量轉(zhuǎn)換。②電子同原子和分子碰時(shí)動能幾乎不損失（小于0.1%）。即電子可在許多次碰撞中被電場不斷加速，以達(dá)到高能量，可以使原子，分子電離。③在輝光放電中電子為數(shù)個(gè)電子伏特(ev)，原子,分子僅為0.4ev左右。④當(dāng)時(shí)入射粒子可將能量全部轉(zhuǎn)給靶粒子，這說明了為什么離子在電場中難以獲取較大加速動能的緣由。ii)非彈性碰撞中的能量轉(zhuǎn)移的第一類非彈性碰撞:取對心碰撞且設(shè),由動量和能量守恒定律有:解得：-------（2.10）實(shí)際意義：①若電子與原子分子相碰，電子的動能幾乎全部轉(zhuǎn)換為靶粒子的內(nèi)能②如果兩粒子的質(zhì)量相等，僅一半的能量轉(zhuǎn)換給另一重粒子結(jié)論：即電子在能量轉(zhuǎn)換中所起作用非常重要。⑵能態(tài)與激勵

i)、原子的能態(tài)與激勵:①基態(tài)：原子一般處于穩(wěn)定的狀態(tài)，即電子在各自的穩(wěn)定的軌道上運(yùn)動即處于基態(tài)。②激發(fā)態(tài)：原子受到光照或變速電子碰撞等激勵時(shí)，電子躍遷到高能級上為激發(fā)態(tài)。有如下公式：

③消激發(fā)：激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，一般只能存在約10-8秒，隨即躍遷到低能級，把多余的能量與以發(fā)光的形式放出來。為消激發(fā)：波數(shù)：

④亞穩(wěn)態(tài)：受“選擇定則”限制，通過光輻射直接向基態(tài)躍遷的能級為亞穩(wěn)態(tài)。P48壽命:⑤諧振躍遷：激發(fā)原子自發(fā)地直接過渡到基態(tài)的過程為諧振躍遷。

⑥電離：若基態(tài)原子獲得能量足夠大，使原子中至少一個(gè)電子完全脫離原子核的束縛成為自由電子，變?yōu)檎x子。即叫電離。電離一個(gè)電子的能量叫第一電離能即：(電離能)P49表2-1ii)分子的內(nèi)能與激勵（自己看）⑶碰撞截面：

碰撞發(fā)生的幾率大小用碰撞截面描述。P51

①碰撞幾率P：P51圖2.3②碰撞截面的類型：

③各類反應(yīng)的幾率：發(fā)生某特定之發(fā)應(yīng)過程的幾率便可直接用發(fā)應(yīng)過程截面與總截面之比表示：

a:激發(fā)幾率

b:電離幾率⑷碰撞頻率和平均自由程：①碰撞頻率：粒子與靶粒子單位時(shí)間內(nèi)的碰撞次數(shù)。②平均自由程：粒子在前后兩次碰撞之間行徑路程的平均值:

每次碰撞的時(shí)間和行徑路程為:注意：是入射粒子在1cm行程中的碰撞次數(shù)

2.2主要之反應(yīng)過程與等離子體的狀態(tài)2.2.1電離與電離截面：電離是形成等離子體必不可少的過程。⑴電子碰撞電離（產(chǎn)生等離子體的主要源泉）P54圖2.4

i)直接電離：

ii)離解電離：iii)累積電離：（是激發(fā)態(tài)分子）⑵亞穩(wěn)態(tài)粒子的作用及潘寧電離①亞穩(wěn)態(tài)粒子的生成機(jī)制:分別為某粒子的基態(tài),亞穩(wěn)態(tài),激發(fā)態(tài)。分子形成亞穩(wěn)態(tài):②亞穩(wěn)態(tài)粒子電離性質(zhì):i)亞穩(wěn)態(tài)粒子的累積電離。ii)潘寧電離：這種電離叫潘寧電離。潘寧電離有較高的截面數(shù)值,在氣體放電中很有使用價(jià)值.如:He亞穩(wěn)態(tài)激發(fā)電位:19.8對O2產(chǎn)生潘寧電離時(shí)截面達(dá)：iii)亞穩(wěn)態(tài)粒子間的碰撞電離:也可視為一種潘寧電離.條件是:這在輝光放電中起的作用不重要.⑶離子碰撞電離:這種電離為重粒子之間進(jìn)行，在輝光放電中不必太多考慮。⑷光電離:激光誘導(dǎo)等離子體CVD技術(shù)(LPCVD)P592.2.3復(fù)合過程:

電離的逆過程：可發(fā)生在空間(制粉);

可發(fā)生在器壁和電板表面(鍍膜)⑴三體碰撞復(fù)合釋放能量:自發(fā)輻射:復(fù)合其他形式:⑵輻射復(fù)合:⑶雙電子復(fù)合:離解復(fù)合:⑷正負(fù)離子碰撞復(fù)合(有負(fù)離子存在的等離子體復(fù)合是最主要的復(fù)合過程)i)輻射復(fù)合：

ii)電荷交換復(fù)合：iii)三體復(fù)合：2.2.4附著和離脫：在干法刻蝕中用到,其中存在:等負(fù)離子。①附著:原子或分子捕獲電子生成負(fù)離子，②離脫:附著的逆過程。2.2.5等離子體狀態(tài)（診斷）1.光譜分析法(發(fā)射和吸收光譜)2