等离子体与材料相互作用

文章出处：等离子清洗机厂家 | 深圳纳恩科技有限公司| 发表时间：2022-05-10

等离子体和材料之间的界面是一个非常复杂的环境,等离子体与材料表面相互作用包含了多种等离子体基元(离子、原子和分子)和材料表面的相互作用。这些等离子体基元能够发生协同相互作用，在这些协同相互作用中，起主导作用的是高能离子轰击，离子轰击使得通常热平衡条件下不会发生的反应得以发生。多种等离子体基元在非热平衡条件下的协同相互作用使得在相对低的温度条件下进行特殊材料合成、改性及制备微细图形。等离子体-材料表面之间的相互作用和等离子体中原子、分子等基元的物理性质有着错综复杂的关系，这是由于离子、原子和分子等基元的能量、相对流量和化学成分决定了它们在表面的反应活性。表面的反应速率偏向于依赖到达表面的基元的电子态和振动态。等离子体流-材料表面之间的相互作用和固体物理、化学和表面科学等学科之间都有紧密的关系。等离子体和表面的反应既取决于与等离子体作用的物体表面的电子能带结构、表面和块体的成分和结构，也取决于吸附到表面的等离子体基元以及穿过复杂反应层在表面.上形成的激元的扩散能力和反应能力。

等离子体与材料发生作用的主要粒子为中性粒子、离子和电子。通常来说发生的反应主要为背反射、解吸、物理溅射、化学溅射、辐射增强升华、起泡、辐射损伤和再沉积等。

(1) 背反射:粒子进入材料表面后会和材料原子发生--系列弹性和非弹性碰撞,最后将会有一部分入射粒子离开材料后重新回到等离子体区，这一过程叫做背反射。

(2) 解吸:材料表面一般会吸附--些气体，当粒子轰击到壁或者壁温度升高以后，一些吸附能较小的粒子将会离开材料，这一-过程即为解吸附过程。

(3)物理溅射:高能带电粒子轰击材料，入射粒子的部分能量将会通过碰撞传给材料中的原子，若这些原子的能量超过了结合能量，即可能从壁表面逃逸出，进入等离子体区，这一过程叫做物理溅射。物理溅射和入射粒子能量、角度、材料特性有关。

(4) 化学溅射:入射粒子和固体表面物质结合，发生化学反应，形成可挥发的分子。化学溅射与入射粒子能量、粒子流以及材料温度有关。

(5) 辐射增强升华:在高能粒子的轰击下，材料内部将产生间隙原子和空穴。当材料温度较低时，间隙原子和空穴很快复合;当材料温度较高时，间隙原子向材料表面运动，间隙与周围原子的结合能低，可以热解吸，这就是辐射增强升华。

(6) 起泡:当一定能量的气体离子进入在固体内一定深度植入，并逐渐累积，当剂量达到一定程度时，就在表面形成气泡，且逐渐增大，最终破裂。起泡可以引起起层现象，导致金属材料严重损伤，产生大量金属杂质;起泡同时可以改变金属材料性质，减小金属的热传导性。

(7)辐射损伤:高能中子的长期照射会使壁材料原子核发生位移，产生肿胀、硬化、脆化等变化。

(8)再沉积:高能粒子轰击壁将会引起材料侵蚀，从而溅射出杂质粒子。杂质粒子在等离子体区电离，然后在电场和磁场作用下运动(杂质的输运)，--部分电离的杂质将会重新沉积到材料的其他位置，这个过程叫做再沉积过程。

等离子体和材料相互作用是与等离子体物理、表面物理、等离子体化学、分子物理,原子物理等学科密不可分的交叉研究领域。等离子体与材料表面的复杂相互作用，由于可以同时改变等离子体和材料表面的状态影响等离子体的应用,而一直被认为是等离子体科学领域的一个非常重要的研究课题。