微波等离子技术应用
微波等离子
微波等离子微波等离子技术是一种利用微波能量来产生等离子体的方法。
它在许多领域中有着广泛的应用，包括材料加工、环境治理、医疗诊断和治疗等。
下面将详细介绍微波等离子技术的原理、应用和未来发展方向。
一、微波等离子技术的原理微波等离子技术基于微波辐射与物质相互作用的原理。
当物质受到高频电磁场（即微波）的辐射时，分子内部的电荷会受到激励，从而导致分子振动和碰撞。
当电场强度足够大时，分子内部的电荷会被激发到足够高的能级，从而形成等离子体。
这种由微波辐射产生的等离子体称为微波等离子。
二、微波等离子技术的应用1. 材料加工：微波等离子技术可以用于材料表面处理、涂层制备和纳米材料合成。
通过调节微波功率和频率，可以控制材料表面的化学反应和物理性质，从而实现对材料的改性和功能化。
2. 环境治理：微波等离子技术可以用于大气污染物的降解和废水处理。
通过将被污染的空气或水暴露在微波辐射下，污染物分子中的键合能量会被破坏，从而实现其降解和去除。
3. 医疗诊断和治疗：微波等离子技术可以用于医学影像诊断和肿瘤治疗。
在医学影像诊断中，微波等离子技术可以通过检测组织中的微波信号来获取组织的结构和功能信息。
在肿瘤治疗中，微波等离子技术可以用于局部加热肿瘤组织，从而实现肿瘤的消融或减小。
三、微波等离子技术的未来发展方向1. 提高效率：目前微波等离子技术在能量转换效率方面还存在一定的局限性。
未来需要进一步提高微波能量与物质相互作用的效率，以提高整体系统的能量利用率。
2. 扩大应用范围：目前微波等离子技术主要应用于材料加工、环境治理和医疗领域。
未来可以进一步拓展其应用范围，如在能源领域中利用微波等离子技术进行高效能量转换和储存。
3. 提高控制性：微波等离子技术的控制性对于实现精确的加工和治疗非常关键。
未来需要发展更加精确、可调控的微波等离子技术，以满足不同领域的需求。
4. 降低成本：目前微波设备和相关材料的成本较高，限制了微波等离子技术的应用推广。
微波等离子技术与多种技术相结合
微波等离子与多种技术相结合开发创新镀膜设备新型膜材料的开发，在推动一些新型产业发展上，将起着越来越大的作用（如半导体、光电子、传感器等产业上），它依赖创新设备的研发。
使用2450兆赫的微波能使原料气体电离率达20％，如再结合电子回旋共振技术，其电离率可达100％，但给予离子的能量却仅为5～30ev，属最有利于沉积膜的能量范围。
不似射频（RF：13.56MH Z）,沉积能量高于50ev，将给膜和衬底带来轰击损伤。
其另一特点是，微波又可以进行长距离等离子输运：原料气化或溅射后由微波使其电离，并能使输运过程中一直保持等离子状态，这有利于在衬底上沉积膜均匀、致密，且与各种衬底结合力良好。
基于上述特点，我们开发出多种技术集成的微波镀膜机。
今后我们还将开发出更多的以微波等离子技术为基础的高端等离子加工设备。
目前设备的主要用途划分的机型包括：1．生产绝缘膜、钝化膜：可用于生产SiO2、Si3N4、SiO x Ny、SiC膜，以及它们的叠层复合膜；2．镀金属机型：可镀Cu、Ni、Ti、W以及贵金属等高熔点金属膜；3．镀金属化合物机型：可镀TiN、TiO2以及碳化物、硫化物、硼化物、砷化物等金属化合物膜。
例如用上述设备淀积铜，由于在沉积过程中微波一直使铜保持离子状态，其粒径最小，可以在超深亚微米集成线路上实现金属互连，对大深寛比的互连沟槽金属填充完满（甚至节点在45纳米以下）。
该技术易制备纳米薄膜，使薄膜具有二维纳米材料特性，使这类设备具有广泛的应用前景。
譬如绝缘钝化膜在高集成器件中作为绝缘层和封装膜，其中Si3N4即绝缘又导热，SiC对光波有很好的通透性和陷光作用，因此在太阳能光伏电池和复合吸波材料中都可以发挥作用。
又如磁记录和磁光技术，需要材料具有磁功能。
而制备磁和光信息存储材料是向高密度、高容量的信息存储发展，要求材料有很高的矫顽力，这不但与膜厚和成分有关，而且需要生成不同纳米级材料的多层结构，这对提高记录性能十分重要，层间的良好结合力恰恰是微波淀积技术的特点。
微波与等离子体
*工业、科学和医学用的频率有 433 MHz 、915
MHz 、2450 MHz 、5800 MHz 、22125 MHz 。 目前国内用于工业加热的常用频率为915 MHz和 2450 MHz 。
灭菌
4.3 微波在无机化学中的应用
合成催化材料
在分子筛催化剂合成方面引入了微波加热方法，在 其它工艺条件相同时，所用时间仅为传统加热方式的 1/30-1/40.
• 3.6 信息性
由于微波频率很高，其可用的频带很宽， 可达数百甚至上千兆赫兹，这意味着微波 的信息容量大，所以现代多路通信系统， 包括卫星通讯系统，都是工作在微波波段。
4 微波的应用
雷达和通讯
加热和灭菌 在无机化学中的应用
4.1 雷达和通讯
卫星通讯
4.2 加热和杀菌 *对食物加热的频率:2450 MHz(波长为 12.24cm)
光刻胶刻蚀
首先，使光刻胶 层顶部曝光形成 图形。第二步， 将光刻胶暴露在 含硅的气体中使 光刻胶被硅化。 最后一步,用氧等 离子体把光刻胶 各向异性地刻蚀 掉。
1.3 按热力学平衡分类
根据离子温度与电子温度是否达到热平衡，可 把等离子体分为三类：
*完全热力学平衡等离子体：当整个等离子体系统
T> 5000K时，体系处于热平衡状态，各种粒子的 平均动能都相同，这种等离子体称为热力学平衡 等离子体，简称平衡等离子体；
*局域热力学平衡等离子体：就是局部处于热力学
超短波
红外光
2 微波的产生
微波通常由直流电或50Hz交流电通过一特殊的 器件来获得。 产生微波的器件有许多种，但主要分为两大类： 半导体器件和电真空器件。电真空器件是利用电 子在真空中运动来完成能量变换的器件，或称之 为电子管。在电真空器件中能产生大功率微波能 量的有磁控管、多腔速调管、微波三、四极管、 行波管等。在目前微波加热领域特别是工业应用 中使用的主要是磁控管及速调管。
电子回旋共振微波等离子体技术及应用
第14卷 第4期强激光与粒子束V o l.14,N o.4 2002年7月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E B EAM S Ju l.,2002 文章编号: 100124322(2002)0420566205电子回旋共振微波等离子体技术及应用①张继成, 唐永建, 吴卫东(中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900) 摘 要: 电子回旋共振微波等离子体技术(ECR2M P)在表面处理、等离子体刻蚀和薄膜制备,尤其是高品质的激光惯性约束聚变薄膜靶的制备中有着重要的应用。
综述了ECR2M P的基本原理、反应装置、实验研究、理论研究和应用情况的发展现状,同时分析了其今后可能的发展趋势。
关键词: 电子回旋共振; 微波等离子体; 反应装置; 应用现状; 发展展望 中图分类号: TN24 文献标识码: A 自从二十世纪七十年代,Suzuk i等人将电子回旋共振微波等离子体用于刻蚀亚微米量级的硅基底以来[1], ECR2M P技术已经取得了长足的进展,并且在薄膜制备技术、等离子体表面处理技术、离子源、等离子体刻蚀等方面得到了广泛应用[2,3]。
特别是近年来,理论和实验研究发现,用对称振子天线、锥形喇叭天线、对称振子天线配合缝隙线天线、缝隙螺旋天线配合锥形喇叭天线进行能量耦合时,和直接的波导耦合相比,可以获得更高密度的等离子体[4,5]。
并且与磁控溅射沉积技术、离子束辅助沉积技术以及分子束外延(M B E)技术相结合,提高沉积速率和成膜质量,制备各种薄膜,如金属氧化物薄膜,有机金属膜等[6,7],这些薄膜的制备技术是激光惯性约束聚变基础和基准薄膜靶的研制基础。
更重要的是这种等离子体与其它等离子体源相比,比如射频等离子体(R F),产生的等离子体比较稳定,气体离化率高(5%～20%),能量耦合效率高(20%～90%),可以在较低的气压下工作(0.005～0.5Pa),等离子体密度可达1011～1013 c m3,比射频(R F)等离子体高10～100倍。
微波等离子体光谱技术的发展(一)
微波等离子体光谱技术的发展(一)辛仁轩【摘要】微波等离子体光源是一类有较强激发能力的原子发射光谱光源,主要包括微波感生等离子体光源(MIP),微波电容耦合等离子体光源及微波等离子体炬光源.文章分两部分,第一部分介绍了微波感生等离子体光源的结构原理和性能,并对它们的技术特点和进展进行评述.低功率微波感生等离子体光源用于直接测定溶液中某些痕量金属元素是比较困难的,如Pb,Hg,Se等元素,但它已成功地与气相色谱联用用于测定C,H,O,N,S等难激发的非金属元素.高功率磁场激发的氮-微波感生等离子体光源(N2-MIP),允许使用通用玻璃同心雾化器产生湿试液气溶胶直接进入等离子体核心,等离子体能稳定运行,其分析性能近似于商用ICP光源,且运行费用低廉,是有发展前景的一种新型原子发射光谱光源.【期刊名称】《中国无机分析化学》【年(卷),期】2012(002)004【总页数】9页(P1-9)【关键词】微波等离子体光源;微波感生等离子体光源;微波等离子体光谱仪;评述【作者】辛仁轩【作者单位】清华大学核能与新能源技术研究院,北京100084【正文语种】中文【中图分类】O657.31;TH744.11 引言微波等离子体是一种重要的原子发射光谱光源。
光谱光源是发射光谱仪器的核心，它决定了光谱仪的分析性能及仪器结构。
每一种新型光源的出现，就导致一类新型仪器的快速发展。
电感耦合等离子体（ICP）发射光源的出现，并发展成为目前无机分析广泛应用分析技术，大大促进了无机元素分析技术向灵敏，准确，简便，快速方向迈进。
然而，由于ICP光谱分析仪器要消耗大量的稀有气体——氩气，是该技术明显的缺点，发展节省氩气的新型发射光谱光源就成为光谱分析技术领域的重要目标［1］。
微波等离子体（Microwave Plasma，简称MWP）是比电感耦合等离子体更早被研究的发射光谱光源，是等离子体光源家族的重要成员，它可在很低功率下运行及节省工作气体的优点，曾经被视作有推广应用前景的分析光源。
微波等离子体技术在纺织染整中的应用
微波等离子体技术在纺织染整中的应用目前,纺织染整工业生产仍以湿加工为主,不但需耗用大量的水,而且带来污水公害问题。
而作为染整清洁工艺生产的新技术——等离子体技术,是干式反应体系(气体体系处理),节水节能、环境污染和公害少,操作简单且易控制。
而且处理仅涉及纤维的表面,不破坏纤维自身的性质,理论上可应用于各种纺织品基质物。
因此,可以说等离子体技术迎合了生态纺织品发展的呼声,正越来越受到人们的重视。
等离子体技术在纺织上的应用始于上世纪50年代,我国从上世纪80年代开始对等离子体处理纺织品进行研究。
在印染工业中,等离子体技术可用于织物的上浆、退浆和麻的脱胶、羊毛的防毡缩、织物的轧光、合成纤维的亲水化外理等诸多领域。
等离子体处理也可以改进纤维的染色和印花工艺。
近年来,也有人将等离子体处理用于织物的阻燃、防皱和卫生等功能性整理。
1、等离子体技术;等离子体技术随当代高技术的发展应运而生,作为一个学科交叉的前沿研究领域,自兴起以来的短短20多年中,已在化学合成、新材料的研制、表面处理等领域开拓出一系列新技术、新工艺。
等离子体这一新的存在形式是经气体电离产生的由大量带电粒子和中性粒子所组成的体系,是含有离子、电子、自由基、激发态分子和原子,总的正负电荷取相等,不发生静电中和反应,并表现出集体行为的一种准中性电离气体,继固、液、气三态之后列为物质的第四态-等离子态。
等离子体可按其压力、带电荷粒子密度和温度等进行分类。
在一般情况下,可将等离子体分为高温等离子体和低温等离子体。
前者又称为平衡等离子体,其电子和分子或原子类粒子都具有非常高的温度;后者又称为非平衡等离子体,其电子和分子或原子类粒子具有的温度是不同的,电子温度仍然很高,而分子或原子类粒子的温度却较低,低温等离子在纺织染整中的应用最为广泛。
等离子体发生方法很多,归纳起来有3种发生方式:(1)气体放电法。
在电场作用下气体被击穿,发生气体电离,等离子体即是电离的气体;(2)光致电离法。
微波与等离子体合成
利用微波能量激发气体分子，形成等离子体，通过调节微波功率和气体压力等参数，实现高效、环保的合成。
激光诱导等离子体合成
利用激光能量将固体材料表面加热至高温，形成等离子体，通过控制激光参数和扫描速度等条件，实现材料表面的改性和合成。
利用等离子体合成技术制备各种功能材料，如陶瓷、复合材料、薄膜材料等。
该技术具有高效、环保、节能等优点，可广泛应用于陶瓷、金属、复合材料等领域。
高功率微波等离子体合成技术的研究重点在于优化微波源、气体流动和反应条件，以提高合成效率和材料性能。
低温微波等离子体合成是指在低温环境下利用微波激发气体，产生等离子体，从而实现材料的合成和改性。
该技术特别适用于对温度敏感的材料，如生物材料、高分子材料等。
03
02
01
微波等离子体的特性
利用微波等离子体的高温、高密度和高活性特性，可实现材料的高效合成。
材料合成
通过微波等离子体处理材料表面，可改善材料的表面性能。
表面处理
利用微波等离子体的强氧化性，可有效去除空气中的有害气体和颗粒物。
环境治理
微波等离子体的应用
03
等离子体合成技术
等离子体合成利用等离子体的热力学和动力学特性，通过加热、电离、活化等过程，将原料转化为所需的物质或材料。
脉冲微波等离子体合成技术的研究重点在于优化脉冲波形、频率和能量，以及反应条件，以提高合成效率和材料性能。
脉冲微波等离子体合成
05
微波等离子体合成的挑战与前景
面临的主要挑战
等离子体稳定性问题：在微波等离子体合成过程中，等离子体的稳定性对合成效率和产品质量具有重要影响。然而，由于各种因素（如电源波动、气体流量变化、反应器结构设计等）的影响，等离子体容易发生不稳定，导致合成过程受阻或产品质量下降。
第十二章,微波、等离子、激光技术!
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3、微波等离子体烧结陶瓷
微波等离子体烧 结
微波加热和等离子 体加热共同作用。 不受材料介电性能 的影响。 材料分解、挥发 常温常压下大面 积微波等离子体难 以激励
微波加热烧结
特点： 降低烧结温度;
快速、均匀加热; 加热效率高; 细化晶粒
微波—等离子体分 步烧结
克服了各自的缺点 保留了彼此的优点 原则上适用于各种陶 瓷的烧结 实际上仍存在微波等 离子体的一些问题
独特行为与固态、液态、气态都截然不同，故称之为物质第四态。
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固体 冰
液体 水
气体 水汽
等离子体 电离气体
00C
1000C
100000C 温度
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普通气体
等离子体
放电
放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式 等离子体 电离气体
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• 等离子体是高度电离的气体．
原子
普 通 气 体
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微波固相合成的应用实例
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微波烧结陶瓷
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６、微波加热的设备？
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等离子体合成技术
北极光
星系
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宇宙中90％物质处于等离子体态
– 天然等离子体：以闪电、极光的形式。 地球表面向外，等离子体是几乎所有可见物质的存在形式 – 日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示屏、臭氧发生器 – 典型的工业应用：等离子体刻蚀、镀膜、表面改性、喷涂、烧结、 冶炼、加热、有害物处理 – 高技术应用：托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高功率微波器件、