氫等離子體原子、分子過程研究

梁娟　徐偉　吳智量　郭宏運　寧儉　呂金錦

摘 要：在微波等離子體化學氣相沉積（MPCVD）裝置中，氫氣作為鍍膜工藝中重要的參與氣體，對鍍膜工藝有直接的影響。在微波放電等離子體發(fā)生裝置中激發(fā)氫等離子體，使用高分辨率的多道光譜分析儀實時采集Hα譜線，對譜線的線型分布進行微分，得出譜線的能量分布，進一步分析氫原子在等離子體中經(jīng)歷的分子過程。結果顯示，氫原子的能量分布有3個明顯的能量峰，分別在0.3 eV處、2.5 eV處和3 eV處。其中，0.3 eV處的峰比較強，表明在微波放電等離子體條件下，氫原子發(fā)生的分子過程主要是離解激發(fā)。

關鍵詞：氫等離子體；離解激發(fā)；線型分析；分子過程

中圖分類號：O561.4 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.11.071

等離子體作為一種由大量微觀粒子組成的熱力學體系，熱運動和電磁作用過程共存，描述其性質(zhì)的參量具有一定的復雜性。氫氣作為微波等離子體化學氣相沉積（MPCVD）制備各種功能薄膜材料的重要參與氣體，研究氫氣的等離子體過程和各種參量顯得尤為重要。

1 實驗裝置

利用實驗室配備的DH2004多功能微波等離子體發(fā)生裝置，通過真空泵將反應腔抽真空至30 Pa，通入氣體流量為150 mL/min的氫氣，微波源發(fā)出2.45 GHz的微波沿BJ22矩形導管以TE10模式傳輸，到達微波諧振腔后激勵氣體放電，形成軸對稱等離子體球。利用光纖將產(chǎn)生的穩(wěn)定等離子體球的發(fā)射光譜采集到多道光譜儀。實驗采用的多道光譜儀為美國Andor-ixon公司的多道光譜儀，光柵數(shù)為1 200 l/mm，CCD尺寸為1024×256像素，波長范圍為190～1 000 nm，分辨率為0.05 nm。

2 光譜線型分析

氫分子與電子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生離解或電離，不同動能的電子與氫分子碰撞會產(chǎn)生不同的產(chǎn)物，同樣，不同的離解或電離過程中所產(chǎn)生的氫原子具有的動能也不同。另外，在氫原子與電子的碰撞激發(fā)過程中，動能幾乎不變，因此，只要得到氫原子的能量分布，就能推出氫原子的分子過程。

由于處于n=3的激發(fā)態(tài)原子自發(fā)躍遷到n=2能級所發(fā)射的Hα譜線，其壽命是微秒量級，所以，氫原子本身的輻射空間是均勻的。

現(xiàn)設探測空間中某體積元dτ內(nèi)的中性氫原子密度為n0，則速度在v+dv范圍內(nèi)的粒子數(shù)為：

n（v）=n0f（v）dv. （1）

式（1）中：f（v）為速度分布函數(shù)。

因此，在速度方向上，該體積元發(fā)射偏離中心波長△λ=vλ0/c的Hα譜線的概率為：

. （2）

式（2）中：ne為該體積元內(nèi)的電子密度；B為譜線分支比。

那么，多道光譜儀采集到的氫等離子體發(fā)射的譜線強度分布為：

. （3）

式（3）中：dτ為探測空間體積分。

因為式（3）中：

. （4）

而式（4）中：

. （5）

所以，將式（4）和式（5）代入式（3）中，得：

. （6）

由此可以認為，每電離一個氫原子所輻射的Hα光子數(shù)近似恒量，因此，式（6）可以改寫為：

. （7）

式（7）中： .

由此即可變換得出能量分布與譜線的關系，即：

. （8）

從式（8）中可以看出，多普勒展寬對線型分布的影響不大。因此，Hα譜線的分布實際上就是觀察方向上中性氫原子速度分布的線積分的結果，中性氫原子的能量分布可以直接利用譜線求梯度得到。

3 實驗結果

實驗采集到的Hα譜線線型分布主要是由儀器函數(shù)、觀察方向、光源的空間分布、等離子體的分布和原子、分子過程共同決定的。該實驗中使用的多道光譜儀的儀器函數(shù)是由GY-100型的He-Ne激光器測得，可以用去卷積的方法從Hα線型儀器函數(shù)中扣除。

如圖1所示，從能量分布圖中可以看出，在0.3 eV處有一個非常明確而且比較強的峰，在大概2.5 eV和3 eV處，各有一個相對比較弱的峰。

R.K.Janev列出了氫分子與電子可能發(fā)生的十幾種分子過程，并且從理論上計算了這些過程中電子的平均能量損失，以及產(chǎn)生的氫原子或離子的平均動能、氫分子與電子直接碰撞離解并能產(chǎn)生中性氫原子的過程有：

對應的電子損失動能分別為10.5 eV、15.3 eV、34.6 eV和21.5 eV，而中性氫原子獲得的平均動能分別為3 eV、0.3 eV、4.85 eV和2.5 eV。以上過程都是氫分子與電子發(fā)生碰撞激發(fā)到分子態(tài)H2（x），接著直接離解。

因此，在微波放電等離子體條件下，等離子體中發(fā)生的分子過程主要是式（9）、式（10）和式（12），即主要是離解激發(fā)。氫分子通過與高能電子的碰撞先被激發(fā)到激發(fā)分子態(tài)，進而直接離解成激發(fā)態(tài)原子和基態(tài)原子。

4 總結

在多普勒效應占絕對優(yōu)勢的前提下，由Hα譜線線型分布可以直接得出氫原子的能量分布，由能量分布特征峰就可以知道氫原子在等離子體中的分子過程。而在微波放電等離子體條件下，氫原子發(fā)生的分子過程主要是離解激發(fā)。

參考文獻

[1]徐偉，萬寶年.氫原子能量分布和分子過程[J].原子與分子物理學報，1999，16（2）：141-146.

[2]鄭曉毅.MPCVD裝置中等離子體發(fā)射光譜研究[D].廣州：廣州大學，2012.

〔編輯：白潔〕