等离子体化学-2.

第二章低温等离子体中的基础过程2.1等离子体中的碰撞等离子体是多组元弱相互作用粒子的集合体.任何等离子体化学反应都涉及碰撞过程.正是由于碰撞中的能量转移改变着粒子的化学活性，影响着反应过程。下面从能量转换的角度概述。2.1.1等离子体中的能量流1.特征：电子温度数个ev，等离子体密度：P43图2.1等离子体中的能量流312910~10cm2.电子服从麦氏分布：表示单位能量区间内的电子数占总电子数的百分率。表示电子平均能量（探针法等测定）。P44图2.2给出了关系.5.1exp07.22123ff~f3.注意：电子能量超过1ev时，有可能把束缚态电子由基态激励到高能态。当电子能量是足够多时，就会导致分子的离解或电离。4.我们要关注的是：粒子内态变化所产生的活性种及其进行的化学反应。2.1.2碰撞的基本概念和特征量⑴碰撞中的能量转移i)弹性碰撞中的能量转移：设靶粒子碰前不动，由弹性碰撞理论（总动能和总动量守恒）22111122221111222vmvmvmvmvmvm解得：则碰后粒子的动能：22111122112vmmmvvmmmmv212212212222221vmmmmvm碰前粒子动能：结论：①当时,即轻粒子在同重粒子碰时极少能量转换。211121vm12212124mmmm21mm112124mm②电子同原子和分子碰时动能几乎不损失（小于0.1%）。即电子可在许多次碰撞中被电场不断加速，以达到高能量，可以使原子，分子电离。③在辉光放电中电子为数个电子伏特(ev)，原子,分子仅为0.4ev左右。④当时入射粒子可将能量全部转给靶粒子，这说明了为什么离子在电场中难以获取较大加速动能的缘由。1221,mmii)非弹性碰撞中的能量转移的第一类非弹性碰撞:取对心碰撞且设,由动量和能量守恒定律有:0E02v22111122221111222vmvmvmEvmvmvm解得：-------（2.10）2211112211211222mvmvmmvmvmE实际意义：①若电子与原子分子相碰，电子的动能几乎全部转换为靶粒子的内能②如果两粒子的质量相等，仅一半的能量转换给另一重粒子结论：即电子在能量转换中所起作用非常重要。⑵能态与激励i)、原子的能态与激励:①基态：原子一般处于稳定的状态，即电子在各自的稳定的轨道上运动即处于基态。②激发态：原子受到光照或变速电子碰撞等激励时，电子跃迁到高能级上为激发态。有如下公式：enevEEmv0221③消激发：激发态的原子是不稳定的，一般只能存在约10-8秒，随即跃迁到低能级，把多余的能量与以发光的形式放出来。为消激发：波数：hEhEhEEv1212cchEhEcvv12~④亚稳态：受“选择定则”限制，通过光辐射直接向基态跃迁的能级为亚稳态。P48寿命:⑤谐振跃迁：激发原子自发地直接过渡到基态的过程为谐振跃迁。s10~1024⑥电离：若基态原子获得能量足够大，使原子中至少一个电子完全脱离原子核的束缚成为自由电子，变为正离子。即叫电离。电离一个电子的能量叫第一电离能即：(电离能)P49表2-1ii)分子的内能与激励（自己看）10evEEEiiE⑶碰撞截面：碰撞发生的几率大小用碰撞截面描述。P51①碰撞几率P：P51图2.3②碰撞截面的类型：ndxvsnsdxvP......:::e1t1iexiexecba电离碰撞截面激发弹性碰撞截面弹性碰撞截面③各类反应的几率：发生某特定之发应过程的几率便可直接用发应过程截面与总截面之比表示：a:激发几率b:电离几率xexexPtiiP⑷碰撞频率和平均自由程：①碰撞频率：粒子与靶粒子单位时间内的碰撞次数。②平均自由程：粒子在前后两次碰撞之间行径路程的平均值:每次碰撞的时间和行径路程为:vnvvn1tvvnvvt,11注意：是入射粒子在1cm行程中的碰撞次数12.2主要之反应过程与等离子体的状态2.2.1电离与电离截面：电离是形成等离子体必不可少的过程。⑴电子碰撞电离（产生等离子体的主要源泉）P54图2.4i)直接电离：（低速）高速eeAeA)(eeHeHev237.132ii)离解电离：iii)累积电离：（是激发态分子）⑵亚稳态粒子的作用及潘宁电离①亚稳态粒子的生成机制:eeBAeABeeOOeOev202eeAeAeAeAAeXeXhXXeXeXmm分别为某粒子的基态,亚稳态,激发态。分子形成亚稳态:②亚稳态粒子电离性质:i)亚稳态粒子的累积电离。ii)潘宁电离：这种电离叫潘宁电离。XXXm,,XXXXmm22eYXYXm潘宁电离有较高的截面数值,在气体放电中很有使用价值.如:He亚稳态激发电位:19.8对O2产生潘宁电离时截面达：iii)亚稳态粒子间的碰撞电离:也可视为一种潘宁电离.条件是:这在辉光放电中起的作用不重要.2161045.1cmimEE2eXXXXmm⑶离子碰撞电离:这种电离为重粒子之间进行，在辉光放电中不必太多考虑。⑷光电离:激光诱导等离子体CVD技术(LPCVD)P59eABAB2.2.3复合过程:电离的逆过程：可发生在空间(制粉);可发生在器壁和电板表面(镀膜)⑴三体碰撞复合释放能量:自发辐射:复合其他形式:eAeeAheAeAhAAMAMAe⑵辐射复合:hAAe⑶双电子复合:离解复合:⑷正负离子碰撞复合(有负离子存在的等离子体复合是最主要的复合过程)i)辐射复合：ii)电荷交换复合：iii)三体复合：2.2.4附着和离脱：在干法刻蚀中用到,其中存在:等负离子。①附着:原子或分子捕获电子生成负离子，②离脱:附着的逆过程。eABAeABhXYYXYXYXKEMXYMYX4CFFCF,32.2.5等离子体状态（诊断）1.光谱分析法(发射和吸收光谱)2.质谱法:将等离子体粒子引入四板质谱计3.静电探针法(朗谬尔探针)电子温度,离子密度主要是测量等离子体电位或探针电流和加到探针上的电压间关系来计算。（增加：P65）1.光谱分析法(发射和吸收光谱)2.质谱法:将等离子体粒子引入四板质谱计3.静电探针法(朗谬尔探针)