1 / 101

第六章 复杂聚集体系的物理化学

第六章 复杂聚集体系的物理化学. 電漿燈. 極光. 太陽. 雷電. 06-1 等离子体化学及其应用 ( Plasma Chemistry and Its Applications ) 一 . 等离子体化学基础 二 . 等离子体化学的主要应用及若干 最新进展. 等离子体化学参考书目 1. 赵化侨 , “ 等离子体化学与工艺 ” , 中国科技大学出版社 , 1993 年 . 2. 徐学基等 , “ 气体放电物理 ” , 复旦大学出版社 , 1996 年 .

yakov
Download Presentation

第六章 复杂聚集体系的物理化学

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 第六章 复杂聚集体系的物理化学 電漿燈 極光 太陽 雷電

  2. 06-1等离子体化学及其应用 (Plasma Chemistry and Its Applications) 一. 等离子体化学基础 二. 等离子体化学的主要应用及若干 最新进展

  3. 等离子体化学参考书目 1. 赵化侨,“等离子体化学与工艺”, 中国科技大学出版社, 1993年. 2. 徐学基等, “气体放电物理”, 复旦大学出版社, 1996年. 3. 陈杰瑢, “低温等离子体化学及其应用”, 科学出版社, 2001年. 4.K. H. Becker et al. , “Non-Equilibrium AirPlasmas atAtmospheric Pressure ”, Institute of Physics Publishing, 2005.

  4. 大连理工大学 国内一些研究机构： 中科院等离子体物理研究所 等 离 子 体 物 理 化 学 实 验 室

  5. 常见的等离子体 • 人造等离子体—— • 荧光灯，霓虹灯灯管中的电离气体 • 核聚变实验中的高温电离气体 • 电焊时产生的高温电弧，电弧灯中的电弧 • 火箭喷出的气体 • 等离子显示器和电视 • 太空飞船重返地球时在飞船的热屏蔽层前端产生的等离子体 • 在生产集成电路用来蚀刻电介质层的等离子体 • 等离子球

  6. 常见的等离子体 • 太阳和其它恒星(其中等离子体由于热核聚变供给能量产生) • 太阳风 • 行星际介质（存在与行星之间） • 星际介质（存在于恒星之间） • 星系间介质(存在于星系之间) • Io-木星的通量管 • 吸积盘 • 星云 • 地球上的等离子体 • St. Elmo's fire • Sprites, elves, jets • 火焰（上部的高温部分）闪电 • 低温等离子NTP • 球状闪电 • 大气层中的电离层 • 极光 • 太空和天体物理中的等离子体

  7. “暖等离子体斗篷” • 图中的黄色区域代表的就是地球磁层中的“暖等离子体斗篷”层，地球磁层保护地球免于遭受太阳风的侵害。 • 这个新发现的磁层在2008年的秋天被最终确认，它让研究人员想起了一个人骑在马上并且身披长斗篷的样子。 《地球物理学研究》2008 宇宙中90％物质处于等离子体态

  8. 什么是等离子体?   “Plasma” I. Langmuir 1926 *定义1: “包含足够多的正负电荷数目近于相等 的带电粒子的物质聚集状态。” （金佑民，樊友三，“低温等离子体物理基础”，清华大学出版社，1983年） 过分广义。 固态等离子体：晶格中正离子与自由电子组合; 半导体中电子与空穴的组合等。 液态等离子体：如电解质溶液中正负离子的组合。 *定义2: “等离子体是由大量带电粒子组成的非凝聚系统。” （国家自然科学基金委，“等离子体物理学发展战略调研报告”，1994年） 强调了非凝聚系统，即排除了单纯的固态和液 态，但包含了电子束和离子束。

  9. *定义3：“等离子体是包含足够多的正负电荷数目近于相等的带电粒子的非凝聚系统。”*定义3：“等离子体是包含足够多的正负电荷数目近于相等的带电粒子的非凝聚系统。” 单纯气态： 完全或部分电离了的气体 (微放电区电离度下限 ~ 10-6, 大气压下放电空间平均电离度可低至~10-12) 非单纯气态：尘埃等离子体 (伊林，王友年，王晓刚， 王德真） 雾滴等离子体

  10. 等离子体的基本属性 • 非束缚性：异类带电粒子之间相互“自由”，等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子（电子、离子），而不是其结合体。 • 粒子与电磁场的不可分割性：等离子体中粒子的运动与电磁场（外场及粒子产生的自洽场）的运动紧密耦合，不可分割。 • 集体效应起主导作用：等离子体中相互作用的电磁力是长程的。

  11. 固体 冰 液体 水 气体 水汽 等离子体 电离气体 00C 1000C 100000C 温度 等离子体是物质第四态

  12. 普通气体 等离子体 放电 电离气体是一种常见的等离子体 • 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 • 需要有足够的电离度的电离气体才具有等离子体性质。 “电性”比“中性”更重要。 (电离度 >10-4 )

  13. 温度 (度) 霓虹灯 密度(cm-3) 等离子体参数空间 氢弹 惯性聚变 磁约束 聚 变 星 云 太阳核心 日冕 闪电 气体液 体固 体 人类居住环境 太阳风 星际空间 荧光 北极光 火 焰

  14. * 等离子体科学是一门典型的物理、化学和材料等学科的交叉科学，它包含了电磁学、分子碰撞动力学、化学反应动力学和表面科学等分支学科 * 等离子体物理是研究等离子体自身运动规律及其与周围物质相互作用过程的一门分支学科，它是物理学的一门独立分支学科 （物理学之二级学科）。主要研究领域： • 低温应用等离子体 • 高温聚变等离子体 • 空间和天体等离子体

  15. 等离子体物理学科发展简史 • 19世纪30年代起 • 放电管中电离气体，现象认识 • 建立等离子体物理基本理论框架 • 20世纪50年代起 • 受控热核聚变 • 空间技术 • 等离子体物理成为独立的分支学科 • 20世纪80年代起 • 气体放电和电弧技术发展应用 • 低温等离子体物理发展

  16. * 等离子体化学这个名词最早出现在国外1967年出版的一本专著书名上 （“Plasma Chemistry in Electrical Discharges ”） * “等离子体化学是研究等离子体中各种粒子之间或这些粒子与电磁辐射及周围物质间相互化学作用的一门分支学科。” 国家标准（一级学科→二级学科→三级学科） 化学 → 物理化学 → 高能化学（包括辐射化学、等离子体化学等）

  17. 分子活化的几种主要手段（一） 1. 热活化 通过升高反应温度提高分子平动能 k = p z0 exp(-Ea /RT) 2. 催化活化 是经典的但仍是当前工业上应用最广的 促进化学反应的主要手段 1). 通过表面吸附浓缩反应物 (相当于提高 碰撞频率 z0) 2). 在催化剂表面形成有利的分子取向 (提高方位因子p) 3). 通过形成新的反应途径降低反应活化 能Ea

  18. 分子活化的几种主要手段（二） 3. 光子活化 通过合适波长光子对反应物分子内能态(转动态、振动态及电子态)的激发提高反应速度，往往也同时增加新的反应途径。如胶片感光，天然及人工光合作用，各种光化学反应研究等。 H2O + hn →OH + H (DH ~ 242 nm) (H2O 仅吸收短于185 nm 的光，到达地球之太阳光中含此波段光很少) RN Dixon, DW Hwang, XF Yang, …, XM Yang, Science, 285 (1999) 1249-53. （ λ=121.6 nm） 4.电子活化(系等离子体活化之一次过程) 电子与反应分子碰撞产生激发态原子、分子、 自由基和离子等。

  19. 分子活化的几种主要手段（三） 几种活化方式的组合： 1). 光催化 2). 等离子体 + 催化 3). 等离子体 + 光 + 催化

  20. 太阳能光解水–产业化??? Dr. Dae-Chul PARK (朴大吉) (韩国化学研究院) (1992年研究光解水至今) 光催化剂: Ni/CdxZnxSyMz, 寿命>> 1年, US$ 40/kg 产氢(99.99%)率: 3,000 ml/(hm2) (cat.量: 500g) 利用波长: UV λ≤470 nm * * * 问题: Na2S/Na2SO3催化剂保护剂 (除氧) 价格: US$2/m3高纯氢 ??? 催化剂耐氧, 氢-氧及时廉价分离； 真正产业化 ~100年？

  21. 半导体光(电)催化分解水 H2 2hn 2e 2H+ SC SC 2h+ + H2O (空穴, hole) semiconductor ½ O2 ------------------------------------------------------------------------- 2H2 + O2 2H2O(g) + 2hn lth = 495 nm

  22. 等离子体分类 (一) 按存在分类 1). 天然等离子体 宇宙中99%的物质是以等离子体状态 存在的, 如恒星星系、星云，地球附近的闪 电、极光、电离层等。如太阳本身就是一 个灼热的等离子体火球。 2). 人工等离子体 如：*日光灯、霓虹灯中的放电等离子体。 *等离子体炬（焊接、新材料制备、 消除污染）中的电弧放电等离子体。 *气体激光器及各种气体放电中的电 离气体。

  23. 等离子体分类 (二) 按电离度分类 e + A A+ + 2e 忽略二阶电离, ni = ne, nn为中性粒子浓度 a = ne /(ne+ nn) 1). 完全电离等离子体a = 1 2). 部分电离等离子体 0.01< a < 1 3). 弱电离等离子体~10-12< a < 0.01

  24. 等离子体分类 SAHA 方程 在仅含单种气体的完全平衡和局域热力学平衡等离子体中存在着电离平衡: A ↔ A+ + e SAHA推导出如下方程: a2/(1-a2) = 2.4×10 - 4(T 5/2/P ) exp(-wi /kT) P气压 (Torr) T绝对温度 ( °K) wi气体分子（原子）电离电位 ( eV) k Boltzman常数 (8.614×10-5 eV•deg-1)

  25. 电离过程: e + A  A+ + 2e kion P2 三体复合过程: e + A+ + M  A + M krecom P3

  26. 等离子体分类 常压热平衡条件下氮等离子体的电离度 a 随温度变化： T ( °K) a 5,000 3.2×10-7 10,000 0.0065 15,000 0. 22 20,000 0. 82 * * * 星际空间气压很低 (~101-2 粒子/cm3)，低温下即会高度电离 （电离源：宇宙射线, 或直接来自太阳大气层—太阳风）。

  27. 等离子体分类 (三) 按热力学平衡分类 1. 完全热（力学）平衡等离子体(CTE) (Complete Thermal Equilibrium Plasma) 2. 局域热（力学）平衡等离子体(LTE) (Local Thermal Equilibrium Plasma) 3. 非热（力学）平衡等离子体(NTE) (Non-Thermal Equilibrium Plasma) （or Non-Equilibrium Plasma)

  28. 等离子体分类 (四) 按系统温度分类 ( 1 eV = 11,610 °K ) 1. 高温等离子体(LTE) Tg = Ti = Te = … = 108-9°K ( 104-5 eV ) 2. 低温等离子体 1). 热等离子体 Tg  Ti  Te（ ~ LTE ) 5,000 °K <Tg < 20,000 °K (~ 0.5 – 2 eV ) 2). 冷等离子体 Te >> Ti  Tg（ NTE ) 100 °K <Tg < 1,000 °K Te通常为 1 至几十eV (可比热等离子体高！)

  29. 极光、日光灯 电弧、碘钨灯 冷等离子体Te >> Ti Tg 热等离子体Tg  Ti  Te 聚变、太阳核心 低温等离子体 高温 等离子体 10000℃ 电子温度 1eV 等离子体分类

  30. ＋ － 等离子体特性 德拜( Debye )屏蔽 在等离子体中引入电场，经过一定的时间……..

  31. 等离子体特性 特征响应时间：tp＝ lD/vT＝1/wp ＋ － 在等离子体中引入电场，经过一定的时间，等离子体中的电子、离子将移动，屏蔽电场——德拜屏蔽 屏蔽层厚度：德拜长度 lD 德拜( Debye )屏蔽：一种消除内部静电场的趋势

  32. 等离子体特性 ＋ － 在等离子体内部，正、负电荷数几乎相等——准中性ne  ni

  33. 等离子体基本条件 • 空间尺度要求 ：等离子体线度远大于德拜长度 lD << L • 时间尺度要求：等离子体碰撞时间、存在时间远大于特征响应时间t>> tp • 集合体要求：在德拜球中粒子数足够多，具有统计意义ND ＝ ne (4 plD3 /3 ) >> 1

  34. 低温等离子体应用 冷等离子体应用 • 等离子体的化学过程 • 刻蚀 • 化学气相沉积（成膜） • 等离子体材料处理 • 表面改性 • 表面冶金 • 光源 • 冷光源（节能）

  35. 低温等离子体应用 纳米尺度上针尖状表面 纳米尺度上波纹状表面 大面积正弦表面 特征类金刚石表面制造 树枝状表面 实验室与日本原子力所先进科学研究中心合作，开展了非平衡薄膜表面制造的研究，成功第地制备了纳米尺度的针状表面、波纹表面，树枝状表面、正弦表面等表面结构，其中波纹表面，是应用薄膜生长过程的自组织过程中直接形成的。（J. Chem. Phys. 116, 10458，2002）

  36. 毫米级厚金刚石片制备研究 带Si衬底的金刚石厚膜 纯金刚石片 （直径30mm） 半透纯金刚石热沉片10x10 mm2 应用PCVD方法开展金刚石模制备研究开展了多年，对制备过程中物理化学及工艺过程进行了系统研究。可以稳定地制备高质量毫米量级厚度的金刚石片，并用金刚石膜加工成金刚石电子热沉片，热导率高达7.6W/(k·cm)，可用于大功率电子器件。（ Physics of Plasma, 5, 1541, 1998、 J. Phys. D, 31, 3327, 1998、J. Vac. Sci. Tech. A，20, 941, 2002） 金刚石质量表征

  37. 冷等离子体工艺特点 *(赵化侨，等离子体化学与工艺， P11) “非平衡性对等离子体化学与工艺来说十分重要。这意味着，一方面电子有足够高的能量使反应物分子激发、离解和电离，另一方面反应体系又得以保持低温乃至接近室温。这样一来不仅设备投资少、省能源，……而且所进行的反应具备非平衡态的特色。” (更重要的，防止高温带来的各种不希望的变化)

  38. 冷等离子体工艺特点示例 3O2 ↔ 2O3 （∆G = +327 kJ/mole） Kp≌ Ka = [P(O3)]eq2/ [P(O2)]eq3= exp[-∆G/RT] ≌ 510 –58 在1atm. , P(O2) = 0.21 atm.下, [P(O3)]eq≌ 210 -30( atm.) 实际上，通过DBD 放电，很易制备出含O3百分之几的气体来。 （热力学第二定律是否被破坏？与催化作用特点进行比较。）臭氧通过常规化学方法几乎无法制备！）

  39. 等离子体中各种粒子间的碰撞过程 中性粒子 电子 负离子 正离子 光子

  40. 电子与中性原子、分子间的 • 基元(elementary)碰撞过程 • 1) 弹性（ elastic ) 碰撞过程， 仅有平动能交换 • 2) 非弹性（ inelastic ) 碰撞过程， 包含内能(振动、转动、电子态）变化 • 3) 电离（ionization)碰撞 • e + A  A+ + 2e • 4) 附着( attachment ) 碰撞 （当A具有正电子亲合势时）e + A + M  A- + M • 反应 ( reactive) 碰撞， 如解离反应： • e + AB  A+ B + e • 6) 复杂碰撞过程， 如： • 解离电离 e + AB  A+ + B + 2e • 解离附着 e + AB  A- + B

  41. 低温等离子体的产生方式 • 气体放电等离子体 • （电场作用加速荷电粒子导致电离） • 1）低气压放电：直流辉光放电 • 高频放电 （微波、射频） • 2）高气压放电：直流弧光放电 (~LTE) • 电晕放电 (NTE) • 介质阻挡放电 (NTE) • 2. 热致电离等离子体 • (高平动能原子、分子碰撞导致电离) • 高温燃烧、爆炸、击波 • 3. 辐射电离等离子体（光电离） • X-射线、紫外光等

  42. 电晕层外区 （暗区） • 电晕放电 • 形成条件: • 二电极曲率半径相差 • 悬殊 (线筒、线板、针板） • 特点： • 1. 高气压 (105-106Pa) • 高电压降 (103-105 V) • 低电流密度 • (10-3-10-6A/cm2) • 4. Te >> Ti  Tg 102 °K 筒状电极 电晕层 线电极

  43. 介质阻挡放电 • 形成条件: • 二电极间有绝缘介质存在 • 交变电场 • 特点： • 1. 高气压 (105-106 Pa) • 高电压降 (103-105 V) • 低电流密度 • (10-2-10-3A/cm2) • Te >> Ti  Tg •  102 °K HV（a.c.)

  44. 大气压辉光放电 (APGD) • Masuhoro Kogoma et al. 1987 年世界上首次获得APGD • 早期三条件: 1) He 2) 交流频率> 1 kHz 3) DBD 亚稳态寿命长，扩散系数大, 其能量与电离势接近 高分子膜及纺织品改性处理; 大气压下均匀CVD等 F. Massines: (8th APCPST, Australia, July, 2006) N2: APTD; He: APGD (双介质层; 紧密接触)

  45. 低温等离子体应用 热等离子体应用 • 高温加热 • 冶金、焊接、切割 • 材料合成、加工 • 陶瓷烧结、喷涂、三废处理 • 光源 • 强光源

  46. 低温等离子体应用 等离子体军事及高技术应用 • 军事应用 • 等离子体天线、等离子体隐身、等离子体减阻、等离子体鞘套、等离子体诱饵 • 高技术 • 大功率微波器件、X射线激光、强流束技术、等离子体推进

  47. 低温等离子体应用

  48. 空间天体等离子体 什么保护了我们地球：等离子体

  49. 空间天体等离子体 北极光

More Related