等离子体化学的基本原理及应用
等离子体技术在工业加工中的应用研究
等离子体技术在工业加工中的应用研究随着科技的进步和工业化的不断发展，工业加工技术也在不断更新和改善。
等离子体技术是一种新型的加工技术，其能够将气体等离子体化并在加工物表面产生一系列物理、化学反应，从而达到改变材料性质、加工和清洁表面的目的。
本文将从等离子体技术的基本原理、应用范围和发展趋势三个方面来探讨其在工业加工中的应用研究。
一、等离子体技术的基本原理等离子体技术是一种通过高温和高能电子激发气体分子使其电离并产生等离子体的一种技术。
等离子体是一种气态物质状态，具有高温度、高密度等特征。
在等离子体中，由于气体分子电离，产生的电子、离子、自由基等活性物质会与基体表面发生反应，从而改变了其表面的化学、物理性质。
二、等离子体技术的应用范围等离子体技术具有广泛的应用范围，包括工业加工、环境保护、医疗治疗等各个领域。
在工业加工中，等离子体技术也被广泛应用。
1、表面处理等离子体技术在表面处理方面应用最为广泛。
通过利用等离子体产生的电子、离子等活性物质对材料表面进行清洗、去污、表面改性等，从而能够改善材料表面性质，提高材料的机械强度、耐腐蚀性能、附着力等。
2、材料改性等离子体技术不仅可以用于表面处理，还可以用于材料的局部改性。
通过控制等离子体化学反应的条件，可以实现材料表面的硬化、氮化、氧化等，从而提高材料性质。
3、成膜等离子体技术还可以通过在材料表面沉积一层薄膜的方法进行成膜。
由于等离子体技术可以实现高温、高能量的处理条件，从而能够制备出不同成分、形态的薄膜，为其他材料加工提供了较好的保护。
三、等离子体技术的发展趋势随着等离子体技术的不断研究和实践，其应用也越来越广泛。
未来，等离子体技术的应用将集中在以下几个方向：1、低压等离子体技术低压等离子体技术是在较低气压下产生等离子体的一种技术。
由于低压等离子体处理具有高精度、高速度等优势，未来在半导体、液晶显示器等高科技领域将会得到广泛应用。
2、微纳加工技术随着科技的发展，微纳加工技术对材料的要求越来越高。
等离子的工作原理
等离子的工作原理
等离子的工作原理是指在高温高能量作用下，气体中的分子或原子被电离形成带正电荷的阳离子和带负电荷的电子，并形成带正电荷和带负电荷的空间。
当电场作用下，正负电荷会受到电力的作用而被分开，并形成带电离子和电子云。
这种带电离子和电子云的集合体就是等离子体。
等离子体具有丰富的电磁特性和高度活性，可以产生强烈的电荷反应和电磁辐射。
等离子体可以通过各种方式来产生，包括通过电弧放电、激光等方法。
在等离子体中，带电离子和电子云的碰撞、复合以及与外界电场的相互作用是导致等离子体行为的关键因素。
等离子体的工作原理主要涉及三个基本过程：
1. 电离过程：高能电子或电磁辐射的作用下，气体中的原子或分子丧失电中性，形成带正电荷的离子和带负电荷的电子。
2. 冷等离子体形成过程：在电离过程后，电离气体中的带电离子和电子会迅速与周围的非电离气体分子碰撞，转移能量，引起非电离分子的电离，形成冷等离子体。
3. 等离子体的维持过程：为了使等离子体能够持续存在，需要提供能量来弥补能量耗散。
通常采用外部电源施加电场或电磁场，或者通过放电方式不断输入能量来维持等离子体的稳定。
等离子体的工作原理被广泛应用于激光、等离子体显示技术、核聚变、等离子体刻蚀和等离子体等领域，在这些应用中，等离子体的高温和高能量性质使其具有独特的物理特性和发展潜力。
一、等离子体基本原理
1.3.3 沙哈方程
中性气体到完全电离等离子体状态的转变可由沙哈方程来 描述：
nnen gi (2m he3 kT)322gg0i exp(ekE Ti )
式中：h-普朗克常量； T-三种粒子的共同热动力学温度； gi-原子的电离电位； g0-离子基态的统计权重； gi/g0-中性原子基态的统计权重，碱性金属等离子体的
++
Em—复合后该电子所处的能级
En hν=ΔE
Em
- εe
hν
+ Em
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轫致辐射
e
h e e
-
e
E -
hv
回旋辐射
eB/me
×××××××× B -
××××××hv ××
hv
××××××××
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1.3 等离子体特征量及等离子体判据
1.3.1 粒子密度和电离度
ne表示电子密度 ni表示离子密度 ng表示中性粒子密度 当ne= ni时，用n表示二者中任意一个带电粒子的密度， 简称为等离子体密度。 电离度α定义为
ne0 ni0 n0
当 ekT e1， ekT i <<1
，有
2n00e1keT een001ke Ti n0e02
1 kTe
k1Ti 1D 2
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等离子体的特征长度：德拜长度
一维模型（电极为无限大平板），解为：
x0ex D
德拜长度：
(x) 0
1/2
D ne00 e2 k1 T ek1 T i
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激光
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第一章 等离子体基本原理
1.1 等离子体概念：由大量的带电的正粒子、负粒子（其中包括正 离子、负离子、电子、自由基和各种活性基团等）组成的集合体， 其中正电荷和负电荷电量相等，故称等离子体。
等离子体医学的原理与治疗应用
等离子体医学的原理与治疗应用随着科技的进步和人们对健康的重视，各种新技术也不断涌现。
等离子体医学作为一项新兴的技术，正在得到越来越多的关注。
它的原理和应用也越来越被人们所了解。
本文将探讨等离子体医学的原理与治疗应用。
一、等离子体医学的原理等离子体是由高温、高能量的分子或原子所组成的一种物质状态。
等离子体医学是利用等离子体的物理和化学效应来治疗人类疾病的一种方法。
等离子体医学的核心是等离子体切割。
等离子体切割是指在存在等离子体的条件下，利用等离子体的物理和化学效应，实现对生物质的切割和去除。
等离子体切割主要有两种方式：一种是冷等离子体切割，另一种是热等离子体切割。
冷等离子体切割是指在低温下利用弱等离子体电晕等离子体产生的物理和化学效应，实现对生物质的切割和去除。
这种方法的治疗过程较为轻柔，对生物体的损伤较小。
因此，冷等离子体切割适合对皮肤和软组织进行治疗。
热等离子体切割是指在高温下利用强等离子体放电等离子体产生的物理和化学效应，实现对生物质的切割和去除。
这种方法的治疗过程较为猛烈，对生物体的损伤较大。
因此，热等离子体切割适合对硬组织和肿瘤进行治疗。
二、等离子体医学的治疗应用等离子体医学的治疗应用十分广泛，可以用于皮肤病、外科手术、慢性伤口和癌症等领域。
下面将结合实际案例，对等离子体医学的应用进行阐述。
1. 皮肤病治疗等离子体医学可以用于治疗和改善各种皮肤病，如色素斑、疣、痤疮、白斑、瘢痕等。
例如，常见的色素斑是皮肤色素细胞过度活跃而形成的，等离子体医学可以通过调整色素细胞的活跃度和稳定性，达到去除色素斑的目的。
2. 外科手术治疗等离子体医学可以用于外科手术的前期准备和后期修复。
例如，等离子体医学可以在手术前净化手术区域，防止感染和减少切口的出血量。
在手术后，等离子体医学可以促进组织生长和修复，减少疤痕的形成。
3. 慢性伤口治疗等离子体医学可以用于治疗各种慢性伤口，如难愈性溃疡、糖尿病足、烧伤等。
例如，等离子体医学可以促进细胞的增殖和分化，提高组织的修复能力，促进伤口愈合。
低温等离子体技术在化学合成中的应用
低温等离子体技术在化学合成中的应用随着科技的不断发展，人们对于新兴技术的探索和应用也越来越广泛。
低温等离子体技术就是其中的一种，在化学合成中具有重要的应用价值。
低温等离子体技术的基本原理是将气体分子通过电离产生等离子体，经过电磁场的作用，等离子体内的带电粒子被加速和高速碰撞，使带电粒子能量和速度增加，形成高能量电子、阳离子和阴离子等，从而引发一系列离子化反应。
化学合成中，低温等离子体技术的主要应用在于对无机物和有机物的控制和改性。
其中，对化学反应过程中的催化剂、催化剂合成和表面改性等方面的应用尤为重要。
催化剂广泛应用于化学反应中，低温等离子体技术能够通过对催化剂的改性，提高其表面活性和反应选择性。
以纳米银为例，利用低温等离子体技术可以在其表面引入氮功能基团，从而增加反应活性，提高其对苯环的选择性。
在催化剂合成方面，低温等离子体技术可以替代传统工艺中的高温煅烧、还原等工艺，提高催化剂的结构和性能。
例如，利用等离子体技术合成的复合催化剂，其催化剂能够均匀地分散在载体上，进而使得反应活性更高，耐久性更好。
此外，低温等离子体技术还广泛应用于表面改性领域。
化学合成中的表面改性是利用化学处理或物理方法使材料表面结构和性质发生改变，并进而改变其特性。
以表面涂层改性为例，该技术需要涂覆粘合剂和层压材料，从而将其结合在表面上。
而低温等离子体技术则是通过等离子体发生的离子化反应改变表面材料的化学性质，以达到改性材料表面的目的。
总之，低温等离子体技术在化学合成中具有广泛的应用价值。
无论是对催化剂的改性、催化剂的合成，还是对表面的改性等方面，低温等离子体技术都能够为化学合成提供有效的解决方案。
未来，随着科技的不断发展，我们相信低温等离子体技术将会有更加广泛的应用场景，为人们的生活和产业发展带来更多的可能性。
等离子体技术的基本原理和应用
等离子体技术的基本原理和应用等离子体技术是一种高科技的技术，具有广泛的应用场景。
等离子体技术，简单地说，就是将物质中的电子从原子核中剥离，形成一个电离态的气体，即等离子体。
等离子体呈现出电子、离子、自由基等多种状态，具有很强的化学、物理性能，在许多领域有广泛的应用。
等离子体技术的基本原理
首先，等离子体技术的产生需要一定的能量。
比如，可以通过高温、高压、强电场、强磁场等方式提供能量，使原子中的电子逐步离开原子核形成一个高度电离的气体状态，即等离子体。
等离子体技术主要是利用等离子体的化学、物理特性进行一系列的加工和改性，因为电离状态下的气体各种物理、化学等特性与普通气体不同。
等离子体技术的应用
等离子体技术已经应用于工业、医学和环保等多个领域，是当今世界的热门技术之一。
大家常见的离子发动机就是利用等离子体产生推力，驱动飞行器的发动机。
等离子体在航天、核聚变等领域有着广泛的应用。
比如，在环保领域，等离子体已经被运用于大规模废水、工业废气的净化处理，通过突破传统污水、污气处理方式，达到了非常好的净化效果。
等离子体在医学领域也有着重要的应用，现在许多先进的医疗设备和手术器械，比如射频等都用到了等离子体技术，这使得医学的诊断和治疗更为有效和方便。
此外，等离子体的应用还可以扩展到电子产业、纺织、家电、食品等各个领域，预计在未来还会有更广泛的应用。
结论
等离子体技术的开发和应用受到许多学科的支持，其中包含了物理学、化学、电子学等许多领域的知识与技术。
随着科学技术
的不断发展，等离子体技术在各个领域有着广阔的应用前景，将会为人们的生活、工作、环保和医疗等领域带来越来越多的福利和便利。
等离子体技术在化学分析中的应用
等离子体技术在化学分析中的应用随着科技的不断发展，化学分析技术也不断更新换代，其中等离子体技术的应用越来越广泛。
等离子体是一种被激发后的气态粒子，因其与原子和分子的反应极其活跃而被广泛应用于化学分析领域。
本文将从等离子体技术的基本原理、种类以及在化学分析中的应用等多个方面进行探讨。
一、等离子体技术的基本原理等离子体技术是指在外加能量作用下，将气体中的原子或分子激发到高能态或离解，从而形成平衡状态下的离子化气体。
这种充满高度活性的气态物质就是等离子体。
等离子体可以形成在气体中、志星球上、阳光中等许多地方。
通常情况下，为了在实验室中制造等离子体，需要使用外部电源提供能量，将固体、液体或气体样品转化成等离子体状态，以便于化学分析研究。
二、等离子体技术的种类常见的等离子体技术主要包括电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）两种。
其中，ICP-OES可以提供各种化学元素分析的结果，并通过可以测量元素的发射光线幅度来确定其浓度；ICP-MS则可以直接测量各种元素的质量。
ICP-MS通常用于微量元素分析，例如食品、环境样品和药物等。
三、1. 金属元素分析等离子体技术广泛应用于金属元素分析领域。
ICP-OES和ICP-MS是目前最常用的分析方法，可用于分析各种金属元素和非金属元素。
例如，ICP-MS可用于测量人体各种微量元素的浓度，包括铜、铁、锌、钙、镁等。
2. 生物样品分析等离子体技术被广泛应用于生物样品分析。
通过等离子体技术，我们可以对生物样品中的无机元素进行定量和质量分析，例如：测量骨骼中钙含量、血液中铁含量等，对于临床研究和个人健康监控具有重要的意义。
3. 环境污染物分析等离子体技术在环境领域中也有广泛的应用，如污染物元素分析。
ICP-OES和ICP-MS可以用于分析土壤、水、海洋和空气中的各种元素，了解环境污染程度，为环保活动提供科学依据。
4. 药物分析等离子体技术还可以用于药物分析领域。
等离子体在物理和化学中的应用
等离子体在物理和化学中的应用等离子体是一个高度激发和高能的物质状态，它是在高压、高温、高能的环境下产生的。
随着科技的进步，等离子体在物理和化学领域中的应用越来越广泛，涉及到许多方面，如能源、工业、医学等。
一、等离子体在物理学中的应用1.等离子体在天文学中的应用等离子体是银河系中空间物质的主要形式之一，它占据了大量的空间，并决定了宇宙中物质的行为。
在宇宙中的恒星、行星和星系等天体中，都有不同形态的等离子体存在。
对等离子体的观测和研究，可以帮助天文学家更好地理解宇宙物质的演化和结构。
2.等离子体在核物质中的应用核物质中的等离子体在核反应、加速器和核聚变研究中都有很重要的应用。
在核反应中，等离子体的产生和传输是关键的物理过程之一。
在核聚变研究中，等离子体的稳定性和控制也是研究的重点。
3.等离子体在材料物理学中的应用等离子体在材料物理学中的应用也非常广泛，主要涉及到表面处理、涂层和薄膜制备，以及材料性能的改善等方面。
例如在半导体制造中，等离子体处理可以用来对硅片进行清洗和蚀刻，也可以促进电子器件的集成和提高器件的性能。
二、等离子体在化学中的应用1.等离子体在化学合成中的应用等离子体的高能量作用下，可以促进反应物的分解和重组，从而促进化学反应的进行。
例如等离子体在材料加工中的应用，可以用来提高医学和生物化学领域的材料性能和性能稳定性。
2.等离子体在制备新材料中的应用等离子体可以用于制备新材料，例如薄膜、纳米粒子、高分子材料等。
等离子体制备的材料具有非常好的化学均匀性和物理性能，可以应用于光学器件、纳米电子器件、光催化材料等领域。
3.等离子体在环境保护中的应用等离子体可以用于处理废气和废水等环境污染物，从而减少对环境的污染和破坏。
等离子体还可以用于垃圾处理和污水处理等方面，可以有效地缓解环境压力，保护生态环境。
总之，等离子体在物理和化学领域中的应用非常广泛，涉及到许多方面。
在未来，随着科技的不断发展，等离子体在各领域的应用还将不断增加和深化。
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等离子体化学的基本原理及应用等离子体化学是20世纪六十年代发展起来的一门新兴交叉科学.经过40多年的研究发展,已经广泛地引用于化工,冶金,机械,纺织,电子,能源,半导体,医药等不同领域.本文对等离子体化学在材料,电子,光学,医药,化学合成,环境保护几个方面的一些应用进行综述.[1-2]1理论概述[3]对常温常压条件下的气体通过高温加速电子加速离子给物质以能量,物质被解离成阴,阳离子的状态,由于整个体系阴,阳离子总电荷相等,故称为等离子体.而从通常的能量排布:气体>液体>固体的角度来说,等离子的能量比气体更高,能表现出一般气体所不具有的特性,所以也被称为物质的第四态.当气体电离生成电子正离子一般在段时间内发生结合,回到中性分子状态,这个过程产生的电子,离子的一部分能量以电磁波等不同形式消耗,在分子离解时常生成自由基,生成的电子结合中性原子,分子形成负离子.因此,整个等离子体是电子正负离子激发态原子,原子以及自由基的混合状态.因为各种化学反应都是在高激发态下进行的,与经典的化学反应完全不同.这样使等离子体的原子或分子的本性通常都发生改变,即使是较稳定的惰性气体也会变得具有很强的化学活泼性.在放电气体中发生的反应称为等离子体化学反应,用电子温度Te和离子温度Ti作为参数.若Te ≈Ti称为平衡等离子体或高温等离子体.若Te >>Ti称为非平衡等离子体或低温等离子体.这两种不同的情况在不同的领域都有广泛的运用.2设备与装置[3-4]可以将等离子的产生理解为:一定的真空度,外加电场/磁场,通电条件下射频放电产生的特殊物质.各国学者一直努力研制一种能得到均匀稳定的等离子的设备.可以通过(1)解光放电,(2)电晕放电,(3)寂静放电,(4)RF放电,(5)微波放电这5种放电方式(基本特征见图1)来得到等离子体,但为了保证反应产物不分解,一般采用辉光放电形式.这类仪器通过外加电场可以有效地把能量直接传递给反应体系中的气体分子,反应腔里将发生气体放电,产生非平衡等离子体,这种能量传递方法不仅经济有效,而且产生的等离子体具有能量高密度大的特点,所以应用较为广泛.根据反应器的结构不同分为内部电极方式的反应器,外部电极方式的反应器,直流放电反映器,采用商业频率的反映器,微波放电反映器(见图2).而大多数工业活动需在常压或加压(高气体浓度)条件下进行,尤其化学工业,环境工程和材料工业等还不具备在低气压条件下进行化学反应的工艺条件.图1 四类放电形式的特征图2 等离子体化学反应装置[3]3等离子的应用等离子虽然是一门新兴学科,但是其在科学研究各方面已经取得了广泛的运用,涉及材料学,光学,电子学,医药学,环境学等不同领域.3.1材料学3.1.1膜材料对于制备薄膜技术而言,低温等离子体的引入,不仅产生了以有机单体气态聚合合成有机薄膜的全新等离子体聚合沉积(PPD)[3]技术,也在原有的沉积工艺上形成了一系列复合沉积技术,如等离子体增强化学气相沉积(FACVD)[3],反应离子镀(ARE)[3],等离子体增强外延生长(PAE)[3]等.低温等离子体在薄膜技术中的应用,无疑是以等离子体化学反应为基础,充分研究和利用等离子体化学反应将在下列方面优化薄膜工艺[5]: 1,膜材质多样化,由单一的金属,介质膜,发展到有机化合物,高分子,金属有机化合物及它们的复合膜;2,膜结构多样化,已制备出非晶,微晶,多晶及交联状薄膜;3,膜性高功能化,通过控制反应物种,配比,反应条件,可以获得迭层,复合,共混,共聚等多种形态的薄膜,满足高功能要求,4,膜品质高优化.充分发挥化学键结合和过渡,界面层理论,可以在各种基体上实现薄膜的超薄,致密,无针孔,均匀,结合强度高的薄膜;5,膜生长低温化,部分无机化合物薄膜用CVD和FACVD在低温下生长,是等离子体化学反应降低成膜温度的一个例子.等离子体化学成膜的基本原理是在室温或较低温度时,从外部给气体施加电磁场形成等离子态,这时由于气体发生离解,产生蒸气压很低的物质,它在固体表面沉积形成薄膜.等离子体反应薄膜沉积可分为溅射,离子镀,等离子化学气相沉积,等离子表面改性和聚合等类型.其中最引人注目的是等离子化学气相沉积方面的研究,最具代表性的是等离子体氮化硅膜(P-SiN)和等离子体氧化硅膜(P-SiO,P-PSG)[3].这两大类膜不仅应用广泛,而且性能稳定.最近研究应用等离子化学气相沉积技术制得陶瓷薄膜.3.1.2超微粉末在等离于体作用下,一些材料可以较为容易地发生断键和聚合.适当控制参数可以高效率地制备微细的甚至分子尺度的超细粉末.制备SiN,Sic ,SiO2[6-9]:等的技术已在开发成功,其效率和质量都是极有吸引力的.3.1.3超导材料自从1986年诺贝尔奖得主贝德诺尔兹和米勒发现复合氧化物高温超导体后,立即在世界范围内掀起一场超导热,这与其本身的应用有很大关系,而等离子体化学气相淀积不仅是制备薄膜材料的方法,同时所得的膜是一种特殊的超导材料.我国科学家运用高频磁控溅射法制得Y-Ba-Cu-O等薄膜超导材料,并在该领域有不断突破.[10-11]3.1.4高分子材料等离子体技术在高分子科学[12]上的应用发展很快,涉及面广,大致可分为三个方面:(1)等离子体聚合;(2)等离子体引发聚合;(3)高分子材料的等离子体表面改性.其中,等离子体聚合是把有机单体转变成等离子态,产生各类活性物种,由活性物种相互间或活性物种与单体间发生加成反应来进行聚合,是一种新型聚合法.用这种方法易于对聚合物赋予各种功能,特别适合于研制功能高分子.例如电子器件,传感器用的导电高分子膜,集成电路用的光刻胶膜及气体分离膜等.等离子体引发聚合是把等离子体辐射作为能源对单体作短时间照射,然后将单体置于适当温度下进行聚合,是一种不需要引发剂的新聚合法,适于合成超高分子量聚合体或单晶聚合体,进行接枝聚合,嵌段聚合,天机环状化合物开环聚合,固定化茵等.高分子材料的等离子体表面改性是利用非聚合性气体的辉光放电,改变待加工材料的表面结构,控制界面物性或进行表面敷膜.可用来提高塑料的粘接强度,改善棉,毛等天然纤维的加工性能,如浸润性,丝纺性,耐磨性,色牢度等,也可用于表面杀菌.3.2电子学电子方面主要是微电子技术.超大规模集成电路[3],[12]的生产工艺过程中,一方面要求在一个直径通常约为20cm 的硅片上同时制作几百上千个芯片;另一方面又要求在每个芯片上刻蚀上百万个模拟晶体管,电容器和电阻等功能的元件.作为一种精细加工手段等离子体在微电子领域已取得了巨大成功.早在60年代等离子体刻蚀(干法)就已开始逐步取代化学刻蚀(湿法)(见图3)而崭露头角.目前这仍是一种最成功的广泛应用的微刻蚀技术.此后等离子体显影,曝光,等离子体化学气相淀积,离子植入,等离子体退火等一系列,微电子加工技术逐步成熟并推广.等离子体刻蚀已同化学刻蚀一起用于超大规模集成电路的生产中,比起纯化学刻蚀来等离子体刻蚀有两大优点:各向异性和形成保护膜.随着要求在一个芯片上集成更多的元件,光刻工艺的分辨率已难跟上集成度越来越高的要求;等离子体刻蚀与表面沉积技术却能很好的处理这一问题.3.3光学3.3.1光电子技术光电子技术在很多方面借鉴了微电子发展的经验,从一开始就应用了等离子体加工技术[12].目前等离子体化学汽相淀积的应用早已超出了多晶或非晶硅或砷化镓等半导体材料,SiO2,Al203等介质或金,铝,银等金属薄膜的制备范围,并已用于生长各种晶体光学薄膜.例如,非晶硅(a—Si)太阳能电池的大规模廉价生产.单晶硅太阳能电池虽研制较早,在卫星,宇航等方面已成功应用,但其制造工艺复杂,成本太高,不可能大量民用.相比之下,非晶硅太阳能电池却后来居上,80年代初开始已大量作计算器,收音机电源等迅速商品化,这一方面受益于w.E.Spear教授等对非晶硅进行价电子控制,另一方面是PCVD工艺的应用实现了非晶硅太阳能电池的廉价大面积自动化生产.一般是以硅烷SiH4为主要原料,辉光放电形成等离子体.单独用SiH4放电时反应生成的是i型非晶硅半导体层.若在SiH4中掺入少量B2H6便生成p型层,改掺少量NH3则生成n型层.显然,只需切换输入反应室的放电气体种类并控制掺杂量就能连续制成非晶硅太阳能电池的p,i,n结构,不仅适于大规模连续自动化生产,还有其他许多优点:(1)光电转换效率高 (2)省资源,省能源,原料便宜,成本低. (3)膜性质稳定,经久耐用等优点多晶非晶的半导体材料晶体光学薄膜.如金刚石/碳化硅复合梯度膜制备研究得到具有特殊性能的光学薄膜,而这类薄膜的常用近红外来检测.[13-14]3.3.2等离子体显示技术近些年美国,日本,意大利等发达国家都研制全彩色的交流等离子体显示器[15].世界上第一台离子体显示器于1995年在日本面世,我国也于1997年生产出使用这种显示器的高清晰度彩色电视机.随着这种显示器造价的降低,预计它很快将广泛地被用于台式,笔记本式计算机.等离子体显示将给信息产业带来难以估量的利益.交流等离子体显示器的工作原理是气体放电,结构比较简单,工作气体通常采用氮—氖惰性气体.每个小放电室为一个工作单元,称为等离子体室.交流电压加在底部板上的行电极和顶部板上的列电极之间,放电时产生的紫外线使周围的不同荧光物质发出不同颜色的光,这就是彩色交流等离子体显示技术.有些研究人员把等离子体聚合与镀膜(或称涂层)的技术用于光导纤维生产和集成光学芯片的制造中.现已研制出等离子光学传感器.3.3.3等离子光谱[12]等离子体光谱是以等离子体作光源的光谱分析法.等离子体是发光的,实质上是其组成粒子运动状态变化时的能量跃迁,称为等离子体辐射.根据辐射特征谱线的波长和强度即可进行定性定量分折.这种光源用气体放电法产生,按施加的电场不同可分为三大类:(1)直流等离子体光源,简称DCP.(2)高频等离子体光源,按耦合方式不同又可分为两种,即电感耦合高频等离子体炬(ICP)和电容耦合高频等离子体炬(CCP).(3)微波等离子体光源.也可分为电感耦合型(MIP)和电容耦合型(CMP)两种. 以上几种等离子体光源中ICP的分析性能最好,也是目前用得最多的一种.图4为ICP光源概略图,它是一支同独的石英三管炬.三层套管中都通Ar气,但气流量和作用不同.外管中的Ar气流量最大,是发生工作等离子体的主气源.中间管中的Ar气流量较小,起辅助作用,使发生的等离子体向上稍稍隆起.中心管中的Ar气是载气,用它把试样溶液气溶胶化并导入等离子体区.与经典的光谱分析相比ICP有许多优点:(1)光源稳定,再现性好,克服了长期以来对于固体标样的依赖.(2)检出限低,一般可达ppb(十亿分之一)级.(3)工作曲线的线性范围广,可达5—6个数量级.(4)测定精度远比经典发射光谱法高.(5)应用面广,分析速度快.几乎可分析周期表中的所有元素,还能同时进行多元素分析.对各种样品种中的元素进行测定已被广泛运用于有效成分含量测定,金属离子测定晶体特性的测定,杂质的定量检测.3.4医药学等离子技术经美国FDA批准,用于骨科,脊柱外科,耳鼻喉科,美容,普外,神经外科和药物研究等方面,其优异的特性已经在全球范围内得到广大专家和患者的好评.3.4.1生物相容性材料材料的生物相容性是指材料植入生物体后不会引起凝血,毒性,过敏,致癌,免疫反应等, 同时与生物体协调且执行预期的功能.如何改善医用生物材料的生物相容性,使其适合临床移植手术和科研需要, 一直是广大生物学家和材料科学家追寻的目标.低温等离子体技术包括刻蚀,沉积,聚合,表面清洗和消毒等, 它可以对材料表面进行镀膜,聚合,修饰,改性等处理.这可以改善生物材料的亲水性,透气性,血溶性, 以使人造血管,血液透析薄膜等生物医用材料得到广泛应用].3.4.1.1眼科材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)是二十世纪四十年代就开始用作隐形眼镜材料.由于PMMA 具有折射率高,硬度合适,生物亲和性好等性质, 直到今天仍然广为使用.但是, PMMA 亲水性不佳,氧气通透性也较差, 严重者还会引起并发症,这将损伤佩戴者眼睛.利用乙炔,氮气,水生成的等离子体聚合物镀于PMMA 透镜表面形成一层薄膜, 可以改善材料的亲水性, 减小角膜上皮细胞的粘连.在聚合物夹层中加入一种有机硅氧烷可以提高材料的透气性, 但是, 由于硅氧烷固有的疏水特性使得材料的保湿性能降低.解决含硅聚合物表面疏水问题是利用辉光放电的办法来处理.经氧等离子对PMMA 和聚硅氧烷的结合物处理后,它的表面含碳量降低而含氧量增高, PMMA 保湿性能提高.如果将等离子体沉积甲烷薄膜镀于硅橡胶表面, 则可以提高它的保湿性, 减小粘性和液体的渗透, 又保持了透气性.在外科手术中, PMMA 作为眼内晶状体的移植材料使用得非常普遍, 但它和角膜上皮细胞的接触会导致角膜上皮细胞的永久损伤.利用等离子体沉积或者辐照处理办法可以将亲水性的单体如异丁烯酸羟乙酯沉积到PMMA 的表面.结果发现没有使用等离子处理的PMMA 表面引起10～30% 的细胞损伤, 而经过处理的PMMA的细胞损伤在10%以下.3.4.1.2骨科牙科骨和牙的生物兼容性材料的特殊性要求其不仅具有良好的生物兼容性还要求具有一定的硬度和耐用性.如钛及钛合金 [16-20]作为人工材料用于人体硬组织缺损的修复应用于临床已有很长时间了,这与其良好的生物兼容性和耐疲劳性被广泛运用,但是其耐磨性极差,对钛及钛合金应用等离子渗氮处理的方法的得到新型的钛及钛合金材料.另外等离子体活化改性的特殊陶瓷能具有类骨磷灰石的表面形貌,组成和结构.其机理是等离子体中的高能,高活性的粒子轰击HA/ TCP ,使其表面刻蚀和粗化,也使HA/ TCP 晶体产生畸变活化,从而增加了特殊陶瓷的溶解性,易使局部钙,磷离子浓度达到过饱和,有利于类骨磷灰石的成核和生长.表明等离子体表面改性提高了材料的活性.有利于促进骨的形成和生长.[26][41]3.4.1.3抗凝血材料是指它植入生命体内不会引起凝血,毒性,癌变和免疫反应, 并能执行预期的功能.等离子体沉积的聚合物膜的亲水性基团(如-OH,-COOH 等) 往往暴露在外, 因此薄膜表现出良好的亲水性, 并且它不受血液浓度或粘度变化的影响.未经等离子体处理的人造血管植入人体后能够引起血小板的聚集, 以致形成血栓.如果使用涂有等离子体沉积膜的人造血管, 血液在流经此种膜的表面时, 层流和湍流加快, 而涡流较少发生, 停滞点流也很少观察到, 因此出现血栓的机会比普通材料大大减少.人工材料接触血液之后, 一般都会有炎症和排异反应发生.近年来, 利用等离子体技术(如将涤纶(聚对苯二甲酸乙二醇酯, PET ) 材料表面接枝不同分子量的聚乙二醇(PEG)[22],[21]二氧化硫(SO2)[23-27]处理LDPE 膜)制备的人造心脏,血管,人造骨,口腔材料等已在临床得到实际应用, 效果良好.3.4.2临床手术[28], [29]等离子低温射频治疗的基本原理是通过100kHz 的等离子射频电场,使电解液变为低温等离子态,在电极前形成厚度为100μm的等离子体薄层,强大的电场使等离子体薄层中的自由带电粒子获得足够动能,打断分子键,使靶组织细胞以分子为单位解体,在低温下形成切割和消融效果.这也就使等离子射频具有"刀"一样的切割效果,因此,临床又称为"等离子刀".普通射频或微波的工作原理是将靶组织内的水分子随输出的磁场左右运动,分子间摩擦产生热量,再通过热能使蛋白凝固,坏死,没有切割作用.因此,二者的作用原理完全不一样.等离子低温射频除具有"刀"的特性外,还有独特的使组织皱缩和止血作用.当射频电场的能量作用于组织(包括血液)时,组织的阻抗导致热效应,从而产生皱缩和止血作用,与以往通过高温使组织坏死的热皱缩技术不同,等离子刀可以将温度精确控制在60～70℃,既确保使胶原蛋白分子螺旋结构皱缩,又保持了细胞的活力[30][31].等离子体手术系统的主要特点[32]:(1)微创伤:深层组织健康,创口表面所受损伤较小,出血少,疼痛轻,恢复快.(2)低温控制:工作温度仅为40-70OC,创面无炭化,对周边组织损伤小.切割温度不超过54 OC,远远低于传统电外科设备和激光的工作温度.(3)操作精确:等离子体薄层内被加速的离子的作用范围极短,仅为10um,消融作用控制在靶组织表面,因消融作用被精确控制在与射频电极接融的组织表层,对深层组织没有影响,始终保持术野清晰,解剖层次分明.(4)保障安全:等离刀的所有刀头均采用拥有专利的双极结构,射频电场仅局限于刀头的双极之间决不进入病人体内,工作能量精确地控制在3-4w,避免对神经的损伤.将热损伤降低至最低,舌根部不再是禁区.(5)高效减容:可控消融等离子打扎术,可达到即刻与迟后的减容效果.(6)功能齐全:医生可根据手术的需要,选择不同型号的等离子刀,并运用合适的能量级.将等离子刀引入临床手术中,并运用于口腔[33][34],外科[35][36],妇科[37][38],耳鼻喉科[39],骨科[40][41]等科室手术.如等离子刀在软骨成形术中应用[41],治疗宫颈糜烂[38],用于软腭,舌根部手术, 治疗轻,中度阻塞性睡眠呼吸暂停及扁桃体肥大的手术治疗[29] .3.4.3组织培养材料[42-44]由于塑料材料成本低廉,使用方便,易于消毒,所以利用它们作为组织培养的材料变得越来越普遍.然而, 未经处理的塑料例如聚乙烯表面通常不适宜培养许多附着性强的细胞族, 因为它们不能促进细胞的附着,散播及生长.将聚乙烯培养皿在减压环境下用气体等离子体处理这种处理大大提高了聚乙烯的细胞培养能力, 并且经过处理的培养皿的老化不会对它们支持细胞生长的能力有大的影响.尽管各种表面性质和传递细胞的表面化学过程的相互关系仍是一个值得探讨的问题, 但通常认为辉光放电可用于处理衬底以使其适合于细胞培养的应用.另外, 等离子体处理也适用于大规模细胞培养皿的生产, 它能抑制孢子增生, 提高亲代细胞和子代细胞培养的可靠性.3.4.4生物材料的表面清洗和消毒等离子体处理用于去除表面的接触污染, 消除溅射留下的残渣,减小表面吸附.等离子体环境的有效杀菌性质45[46早已为人所知.等离子体消毒应用于生物材料制造,外科医用材料和器件,食品加工和生物技术.与普通消毒方法如加热,加压,辐射相比, 等离子体消毒技术[47]有其独特之处, 它非常适用于那些对高温和辐射敏感的材料, 它不会引起材料大范围的温度变化, 也可以杀灭那些抗辐射的细菌, 还可用于那些预先包装的物品, 且可省去某些物理消毒方法必要的充气时间.现代医用设备中使用的许多聚合物材料高温消毒时会引起严重的化学或形态学变化, 可能导致表面结构的改变, 从而破坏这些被消毒品的功效.并且, 许多生物降解性材料不能用高压灭菌, 因为降解过程可能被高温高压激活,聚合物主要成分会被降解.在射频放电中使用的气体包括空气,氩气,卤素,氧气和醛类等都可以有效地杀菌, 并且不会对材料本身的性质造成多大的影响.由于生物材料是直接同生命系统相关联的材料, 因此任何加工材料都需经过严格的检测和再三的试验.随着等离子技术的发展,现在已经将其运用到空气净化上,对于医院空气的洁净尤其重要.研究人员研制出了低温等离子空气消毒器,并应用到临床上[48].我国中科院经过自费研制,于2004年2月成功研制出医疗器械灭菌设备,经使用其效果良好.3.4.5新药研发表面等离子共振技术(SPR 技术)(基本结构见图5[49]) 是20 世纪90 年代发展起来的以生物传感芯片上的配位体与分析物作用应用SPR 原理检测的一种新技术.从1992 年Fagerstan 等用于生物特异相互作用分析(BIA) 以来,在DNA,DNA 相互作用的BIA 检测,微生物细胞的监测,蛋白质折叠机制的研究以及细菌毒素对糖脂受体亲和力和特异性的定量分析等方面已获得了应用.关于传感芯片,生物传感芯片,配位体固体化,SPR 检测原理及其在BIA 中的应用,已有报道表面等离子共振技术(SPR 技术) 在基因工程药物研究中的应用发展.如近年来SPR 技术在β2淀粉样蛋白(Aβ) 沉积的保护蛋白质研究及抗癌新药和艾滋病病毒新抑制剂筛选中的应用.3.4.6药物释放系统近二十多年来, 药物控制释放的研究发展非常迅速, 在药学的应用也越来越广泛.药剂释放器件可以避免传统方法给药后血药浓度产生大的波动.程序式药物释放方式完全由制剂的结构预先设定, 其设计的关键在于能控制药物释放的滞后时间及药物释放的持续时间.控制药物释放滞后时间的方法有: (1) 以油膏状生物降解聚合物, 如聚原酸酯作为大分子药物的载体材料阻止内部药物的扩散释放, 直到聚合物降解到一定分子量; (2) 利用不载药的膜层或聚合物层阻止内层药物的扩散释放,直到膜破裂或聚合物层融蚀掉.药物释放持续时间的控制方法有利用聚合物融蚀速度控制和利用药物在水凝胶中的扩散释放速度控制.等离子体沉积膜属于后者, 它起一种隔离膜的作用, 为药物扩散提供一道限速屏障.药剂运输过程中的扩散是限制释放速度的因素.尽管药物释放系统中聚合物具有重要作用, 若无隔离膜, 它们也不能为药剂分子的流通提供足够的扩散阻力.等离子体沉积聚合膜可用于控制小分子组分扩散通过聚合物的速率, 能有效减少芸香碱从固体药物释放元件或从水凝胶薄膜释放的速度,也可以减少孕酮扩散通过硅膜的速率.在材料表面利用等离子体沉积聚合膜的方法比使用活化的隋性气体结合方法能提供一种更合适的扩散屏障, 从而可以显著降低药物释放速率, 延长药物起作用的时间[50-53].3.4.7等离子渗药仪[54]等离子渗药仪是基于辉光放电理论和阴极溅射现象而进行研制的,它是一种与传统中医相结合的新型医疗方法和仪器.将药罐附着于人体病灶或穴位上,抽成真空,在阴阳级间加上直流电压,伴随着热效应,电磁波和光辐射的发生可用于理疗局部治疗和药物渗入治疗.主要用于离子型药物,最广泛是用于促进外用药的吸收.3.4.8低温灰化[3]在用高频激发的氧等离子体中使用使得有机样品低温氧化,对样品中的无机成分进行定量分析这仪实验在1962年由Gleit等实现,并命名为低温灰化法.现在这种方法已经在分析化学和药物分析中广泛应用,尤其是原子吸收和电化学无机元素定量分析样品前处理的常用方法.这种方法与传统的干式灰化法相比回收率更高.运用该方法不仅可以对简单的样品灰化处理,甚至对血液等生物样品的浓缩与灰化同样适用,只是有时需要使用冷阱捕捉.3.5化学合成3.5.1臭氧合成与臭氧应用 [4]臭氧的产生是寂静放电在非平衡放电在等离子体化学合成方面最为重要应用.早在1857年,西门子通过寂静放电在两个单独的玻璃圆柱体之间的环状放电空间内有氧流产生.放电是由通过玻璃壁外加的交变的高电压维持.西门子把这个过程称为"气相电解".法国,俄罗斯等过的研究人员研制出专门的臭氧发生器,这种发生器利用寂静放电把双原于氧分子(02)转变为化学性能活泼得多的三原于臭氧分子(03).臭氧的强氧化性被用作杀菌剂,杀病毒剂,漂白剂来使用.臭氧的最广泛的应用是水的纯化方面,在水纯化中,安装臭氧发生器的主要目的是减小混浊度,除去颜色,气味,。