等离子体物理与高新技术-讲座

等离子体与人类社会的现代文明王友年大连理工大学物理与光电工程学院等离子体模拟与实验研究小组课题组网址：年12月23日内容一、等离子体的基本概念二、等离子体技术及应用“等离子体”（plasma）被称为“物质的第四态”，一般地它是由电子、离子、中性粒子组成的复杂物质系统，能够表现出许多奇特的物理现象，并在信息、材料、环境、空间等高新技术领域中有着重要的用途，已经极大地促进了人类的精神文明和物质文明建设。一、等离子体的基本概念1.什么是等离子体？等离子体是物质第四态固体冰液体水气体水汽等离子体电离气体温度00C1000C100000C普通气体等离子体放电需要有足够的电离度的电离气体才具有等离子体性质(电离度一般10-6)等离子体：是由带电粒子（包括离子、电子、离子团）和中性粒子组成的系统。简单地讲，等离子体就是一种特殊的电离气体。2、等离子体的存在自然界中99%的物质是以等离子体状态存在的！是否太夸张？请看下面的例子太空空间（地球周围）地面实验室星系、星云、星际空间天体等离子体属于稀薄等离子体SpokesinSaturn’sBRing[土星周围的辐射轮]土星探测器：探测尘埃等离子体云太阳就是一个为上亿度的等离子体球，其内部不断发生热核聚变反应，并释放出大量的带电粒子。这些带电粒子运动到地球表面的近空间区，就形成所谓的“太阳风”。天体等离子体氢及其同位素发生的热核聚变反应太阳系，太阳的质量占绝大部分空间等离子体：太阳风引起的磁暴现象将影响空间通讯信号的传输及空间飞行器的安全。空间等离子体：地球周围的电离层，如极光现象。在太阳活动旺盛期，极光现象尤其明显。空间等离子体：闪电美国摄影师杰·费恩拍摄到闪电直接打在自由女神像上的惊人照片，据悉他为了拍摄这一幕已经等候了40多年。费恩现年58岁（2010年），他尝试拍摄闪电打中自由女神像的照片已经有40多年了，从少年时期刚接触摄影开始，这就是他的一个心愿。为了拍摄闪电打中自由女神像的照片，费恩冒着暴风雨在曼哈顿的巴特利公园城守候了将近两个小时，摆好相机拍了80多张照片，最终在2010年9月22日晚上8点45分等来了这一罕见时刻。上帝之怒！委内瑞拉“卡塔通博河”闪电赏析位于委内瑞拉西北角的“卡塔通博河闪电”又名“永恒的风暴”，这一奇特的大气现象每年发生近120万次，即使远在250英里(约合402.5公里)开外，仍清晰可见。气体放电产生的等离子体如日常生活中的日光灯、霓虹灯、电弧等在实验室里，可以通过气体放电来产生辉光等离子体我们实验室：平行板之间产生的等离子体中性气体和离子温度：几十度电子温度：40000度托卡马克：高温磁约束核聚变等离子体3、等离子体的分类a.按存在的空间分：天体等离子体空间等离子体实验室等离子体b.按温度分：高温等离子体（聚变等离子体）低温等离子体（又分热等离子体和冷等离子体）c.按放电气压分：大气压等离子体低气压等离子体d.按电源的频率分：直流放电等离子体交流放电等离子体微波放电等离子体4、等离子体状态参数a.温度：电子温度、离子温度、中性粒子的温度1个电子伏(eV)=11650Kb.密度：电子密度、离子密度、中性粒子的密度准电中性条件：电子密度离子密度=等离子体密度等离子体参数空间可以看出，对于不同的等离子体，其参数变很大：等离子体密度的变化跨近30个量级！温度变化跨近8个量级！可以讲：等离子体是处在极端条件下产生的极端物质！人们对等离子体的认识过程1879年Crook指出放电管中的电离气体是不同于气体、液体、固体的物质第四态；1928年朗缪尔(Langmuir)给它起名为等离子体，plasma;到20世纪20年代，等离子体的基本概念和特征运动的时空尺度已基本建立,并进行了大量的直流辉光和直流电弧放电实验；上世纪30年代，由于无线电通讯技术的要求，人们开始研究空间等离子体，如Alven；上世纪30-50年代，建立了等离子体物理的基本理论框架；从上世纪50年代起，开始进行受控热核聚变等离子体研究；在上世纪60年代，热等离子体技术工业化，如等离子体化工；上世纪70年代以后，低温等离子体技术进入微电子及光伏等工业，带来了突破性地发展。（1）准电中性：宏观上不显电性，即电子密度近似等于离子密度对于工艺上所使用的等离子体，除了电子外，还有不同种类的正离子和负离子，则准电中性条件为单位正电荷的电量等于负电荷的电量：5、等离子体的基本物理特性Q+i=Qe+Q-i(2)振荡性：电中性区电中性区负电荷区正电荷区外界扰动2/1202/12044ipiepemenmen（高斯单位制）Langmuir振荡：是电场力和惯性力共同作用的结果，是等离子体的固有属性。Plasman0(3)屏蔽性1/2204BedkTne一个电量为Q的带电小球，在真空中的电势为:在等离子体中的电势为:()QUrrdrerQrU/)(屏蔽长度屏蔽的结果,使得小球的电势变弱!二、等离子体技术及应用1.等离子体技术在半导体工业中的应用2.等离子体技术在光伏产业中的应用3.等离子体技术在生物医学领域中的应用4.等离子体技术在环境领域中的应用5.等离子体技术在航天及军事领域中的应用6.等离子体与受控核聚变技术国家的战略安全人类健康及可持续发展带动全球经济发展全球未来的能源危机等离子体工程PlasmaTechnology1、等离子体技术在半导体工业中的应用众所周知：半导体芯片是现代通信技术、控制技术及科学计算的基石。半导体芯片在半导体芯片处理工艺，约有1/3的工艺用到了等离子体技术：等离子体刻蚀技术离子注入技术（SOI）薄膜沉积技术掺杂技术(doping)等离子体去胶技术清洗技术中芯国际集成电路制造有限公司(上海)大连英特尔公司等离子体刻蚀、沉积技术—半导体芯片制造等离子体装备：等离子体刻蚀机、等离子体镀膜机感性耦合等离子体源容性耦合等离子体源集成电路制造工艺中的典型的沉积和刻蚀过程显微镜下的刻蚀槽图片：实际上晶圆处理过程中的处理步骤可达上百道，包括氧化，光刻，扩散，沉积等工序反复进行，其中仅仅每一层沉积后的光刻过程就包括了涂胶、烘烤、曝光、显影、坚膜、刻蚀、清洗、去膜等多套步骤。其中大部分工艺需要依赖于低温等离子体放电技术，比如刻蚀去胶，沉积、清洗，掺杂过程等等。大规模集成电路结构图集成电路中微公司总裁尹志尧博士主要产品：等离子体刻蚀机、物理气相沉积设备、等离子体化学沉积设备北方微电子公司总裁赵晋荣英特尔公司芯片特征尺寸的发展历程国家中长期科技规划(2005-2020)制订了16个重大科技专项国际大的半导体设备公司：1）美国的应用材料公司2）美国的诺发公司3）日本的东京电子公司4）中国的中微公司国际大半导体芯片制造公司1）美国的Int公司2）韩国的三星公司3）中国台湾的台积电3）中国的中芯国际等离子体刻蚀技术2.等离子体技术在光伏产业中的应用洁净能源：核能、风能、水能、地热能、太阳能等太阳能电池：单晶硅、薄膜硅理想能源设备有限公司总裁钱学煜博士理想能源设备（上海）有限公司--微晶硅薄膜沉积设备（等离子体增强化学气相沉积）在光伏工业中，等离子体技术主要用于：沉积非晶或微晶硅薄膜；沉积减反射薄膜；等离子体制绒；等离子体切边等。gasRFpowerplasma平板CCP装置示意图RFpower世界上很多大公司及科研单位从事硅薄膜太阳能电池的生产及研发：（1）美国应用材料公司（2）日本的三菱公司（3）瑞士Oerlikon公司（4）上海理想能源公司（5）荷兰的UtrechtUniversity……………………………………….等离子体沉积工艺等离子体医学(plasmamedicine):1)生物表面的等离子体辅助处理；2)等离子体灭菌；3)等离子体治疗（口腔、皮肤疾病）3.等离子体技术在生物医学领域中的应用等离子体餐饮油烟机等离子体工业油雾废气净化装置等离子体中央空调净化装置有害废气处理4.等离子体技术在环境领域中的应用等离子体发电厂的煤的助燃：等离子体点火技术山东烟台龙源电力公司（上市公司）龙源技术自2006年开始等离子体燃烧技术在降低氮氧化物排放方面的应用研究，自主开发了“煤粉锅炉等离子体低NOx燃烧技术”，已申请发明专利。该技术创新性明显，技术含量高，在实现煤粉锅炉稳定燃烧，保证锅炉燃烧效率的基础上，能较大幅度降低氮氧化物排放，具有非常良好的应用前景；建议围绕等离子体低NOx燃烧机理、设备优化和费用效益分析等内容深入研究，使该技术能尽快转化为生产力。2008年3月，国家环保总局批准立项，在国电电力大同第二发电厂4＃锅炉进行工业应用。2008年下半年起公司已开始向火电厂推广该技术，已与国电东北电力有限公司、国电电力发展股份有限公司签订了合作推广等离子体低NOx燃烧系统的框架协议，根据该框架协议，2008年10月、11月分别与内蒙古布连电厂、吉林江南热电厂签订供货合同。污水处理：利用高压纳秒脉冲功率源在待处理污水中放电,产生大面积丝状通道,在放电空间迅速传播引起雪崩效应。由于放电瞬间释放高压脉冲大功率,在水中产生超强紫外光、臭氧和高能电子协同的“先进氧化处理”作用,在反应器中直接产生活性极强的自由基,通过自由基与有机化合物之间的聚合、取代、电子转移、断键等作用,使水体中的大分子、难降解有机物氧化降解成低毒或无毒的小分子物质,甚至直接降解成CO2和H2O,接近完全矿化,达到降解氧化、脱色、杀菌的效果,通过快脉冲放电等离子体处理后,有毒有害难降解的大分子污染物快速聚合沉淀,易于处理。脉冲高压水下放电5、等离子体在航天及国防领域中的应用等离子体隐身技术等离子体推进技术等离子体减阻技术等离子体天线技术飞行器进入大气层的防护（耐热涂层技术）等离子体隐身技术等离子体层飞行器雷达等离子体隐身技术等离子体隐身的基本原理是：产生的等离子体，使照射到等离子云上的雷达波一部分被吸收，一部分改变传播方向降低返回到雷达接收机的能量优点：吸波频带宽、吸收率高、隐身效果好、不改变飞机的外形设计，不影响飞行器的飞行性能；降低了维护费用。减阻３０％以上。缺点：等离子体发生器有较大的重量和体积，产生等离子体的功耗比较大等；飞机上安装等离子体发生器的部位本身无法雷达隐身和等离子体发光暴露目标的问题，…等离子体“拦截”技术等离子体团飞行器等离子体“炮”等离子体推进技术采用等离子体推进器来取代燃料推进器对深空探测卫星进行：深空推进卫星调姿飞行器再入大气层的防护等离子体层（激波）地球近地区域电离层飞行器再入大气层遭遇”黑障”区,3-4分钟太空国家“十二五”重大科学工程（论证）：空间环境的地面模拟系统核聚变反应：D+T=n+4HeD+T=p+3He爱因斯坦质能关系：E=mc2轻核转变成重核6.等离子体与受控热核聚变技术受控磁约束等离子体及核聚变技术太阳就是一个为上亿度的等离子体球，其内部不断发生热核聚变反应，但不可控。磁约束聚变装置-托卡马克：人造小太阳。可以控制核聚变反应，解决人类的能源危机。西南物理研究所，HL‐2号中科院等离子体物理研究所：EASTEAST由实验“Experimental”、先进“Advanced”、超导“Superconducting”、托卡马克“Tokamak”四个单词首字母拼写而成，它的中文意思是“先进实验超导托卡马克”。国际大科学计划—ITER计划（InternationalThermonuclearExperimentReactor)其目的是要建造一个可自持燃烧的核聚变实验堆，来验证聚变反应堆的工程可行性。正式成员为：中国、欧盟、日本、美国、俄罗斯、印度、韩国等七方。国家主席胡锦涛的代表科技部长徐冠华中国投入的经费将超过100亿人民币2006年11月21日结束语等离子体作为物质的第四态，不仅蕴涵着一些重大的科学问题，同时它已经为为人类的文明和社会的进步创造了巨大的物质财富。相信在未来：仍有许多等离子体科学问题等待人们去探索、等离子体技术将使得我们的生活变得更加