等离子体处理会与材料表面产生哪些作用？

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：2023-02-16

等离子体由带电粒子和中性活性基团组成，在等离子体处理固体材料时，自由基与固体表面可发生化学反应，高能粒子可以通过物理反应轰击固体材料表面并进行能量传递。等离子体与固体材料的作用效果取决于等离子体的密度、粒子的能量、固体的材料组成以及材料的功能结构等。由于等离子体内部的粒子能量有限和固体表面的致密结构等原因，等离子体对材料的处理深度仅局限在固体的表层，因此能保证深层的基体的原有的性能，同时赋予材料表面新的性能，所以等离子体和材料的表面作用对新型材料的研发和探索具有重要意义。根据等离子体与材料表面反应的种类可分为：物理作用、化学作用和能量的传递作用。

等离子体与材料表面的物理作用

等离子体与固体材料表面的基本作用过程如图1.1所示，总的来说等离子体与材料表面的反应属于物理反应的即物理作用，高能量的粒子与固体表面发生碰撞，能量转移给固体表面的晶格原子，可以产生瞬时的歧化反应，进而对在常态下难以发生的化学反应有一定的促进作用，物理作用一般包括吸附与解吸附、溅射、刻蚀、激发和电离。

图1.1 等离子体与材料表面相互作用过程

（一）吸附（Adsorption）和解吸附(Desorption)
吸附和解吸附是两个相反的过程，都是等离子体与材料表面处理中的重要过程，往往决定着表面过程的最后性能。吸附过程一般可以分为物理吸附和化学吸附，其基本的物理吸附力是来自于入射离子和材料固体表面粒子之间的范德华力，属于弱相互作用力，所以通过物理吸附的粒子与材料表面的结合能较小，易在固体表面扩散。化学吸附是指等离子体中的活性粒子通过物理加速，撞击到固体材料表面，使表面分子或原子的化学键打开，形成新的化学键。通常，等离子体与固态材料的表面反应的吸附反应是先发生物理吸附，粒子在固体表面占据点位，位点和空位点形成粒子的浓度差，粒子向空点位扩散，在扩散的同时易形成新的化学键，所以扩散与化学吸附一般同时进行，同时停止。

解吸附是吸附的逆过程，当等离子体中的粒子吸附在固体材料的表面时，由于吸附依靠的主要是短程力-范德瓦尔力，能量较弱，当有新的高能电子、粒子再次撞击固体材料表面时，能量可传递给已占据位点的粒子，当传递的能量足够克服范德瓦尔力或者化学键能时，粒子就会从位点被解离出来，称为解吸附。

（二）溅射(Sputtering)
溅射是指等离子体中的放电粒子与表面固体相互作用，发生动量转移的过程。随着功率的增加，离子和电子的能量逐渐增加，由于电子的质量较小可忽略，离子具有足够的动量与材料表面的固体微粒相碰撞，可以穿过固体表面微粒的晶格，发生碰撞联级，再通过能量的传递，把离子的能量传递给相邻位点的原子，当传递的能量高于原子的结合能时，原子易脱离束缚，被高能离子从固体材料表面溅射出来。在进行具体的工艺流程的时候，可以通过离子入射的方向来控制溅射的产出率，产率随着偏转角的减小而增大，最大产出率就是当离子的入射为0°（直射）的时候。

（三）刻蚀(Etching)
等离子体刻蚀是基于等离子体中的高能离子、电子或活性自由基与固体表面发生物理和化学反应，对固体材料表面进行物理、化学和离子刻蚀。一般进行刻蚀时，材料被暴露在等离子体中，材料表面同时接受离子和电子的轰击，当离子轰击材料表面时，除了物理撞击会产生速率较低的物理刻蚀，活性离子还会与材料表面的物质发生化学反应，生成易挥发的物质。高能电子轰击材料表面时，其主要作用是与固体材料表面碰撞，产生了活性基团，活性基团可以沿着固体表面扩散和吸附，反应产生的挥发性产物变成气体，更易抽去，其本质也属于化学反应，因此化学刻蚀比物理刻蚀的速率更快。

离子和电子与材料表面的化学反应

等离子体与固体材料表面的化学反应的本质：表面中性原子或分子之间的化学键的断开和新化学键的形成。等离子体处理固体材料时发生的化学的反应的数量和种类十分复杂，主要根据电子的转移可分为氧化反应、还原反应、分解和裂解反应、聚合反应。

以上资料由国产等离子清洗机厂家纳恩科技整理编辑！！！等离子体处理是一种常用的材料表面改性方法，主要利用等离子体中的自由基和离子与材料表面发生反应，引入新的官能团，从而改善材料表面化学和润湿性能。