化學工業中新技術

張艷華

摘要：等離子體是除氣態、液態、固態外物質的又一基本形態，是指呈準電中性的電離氣體。它是由電子、離子、原子、分子或自由基等粒子組成的集合體。等離子體中的粒子能量一般為幾個至幾十個電子伏特，足以提供化學反應所需的活化能。本文主要針對等離子體技術在化學工業中的應用進行分析和討論。

關鍵詞：化學工業；等離子體技術；

一、等離子體熱力學

眾所周知，對完全熱力學平衡狀態（反應時間足夠長，以致各種“自發的”不可逆過程均已完成），其宏觀物理狀態都可用T、v，T、P；S、V；S、P等狀態函數中的任一對單值地描述。其中T是絕對溫度，P是壓力，v是體積，S是熵。

如果把等離子體看作是處于熱力學平衡狀態，則可以套用熱力學關系式對等離子體的熱力學性質加以描述，例如熱等離子體比較接近這種情形。然而，等離子體通常是空間不均勻的，且處在電場、重力場等外場中，因而平衡只能是局部的（即對于一個小的等離子體元而育）。為此，系統中各點處的平衡參數（尤其是溫度）各不相同，在很大程度上取決于外場的分布和大小。此外，等離子體中存在著彈性碰抽、復合、粒子對光子的吸收和輻射等多種復雜的微觀過程，而這些微觀過程又往往伴隨著動能和動量的交換以及粒子的形成或湮滅。這些都決定了等離子中只能建立所謂的統計平衡，即在給定的類型中，粒子的坐標、動量和內部狀態等有一個唯一確定的分布。

二、等離子體用于無機化學合成

1、利用等離子體合成陶瓷超細粉

陶瓷在無機材料中占有重要的地位。隨著各種新型陶瓷材料的出現，它在許多尖端工業中獲得新的應用。利用等離子體來合成陶瓷超細粉作為一種開發新型陶瓷材料的有力手段越來越受到人們的重視。70年代，等離子體化學迅猛發展，逐步搞清了采用普通直流等離子體噴管進行陶瓷合成的極限和反應過程的控制以及化學反應速度理論所要求的反應時間的極限，于是利用高頻電場感應等離子體噴射合成陶瓷的方法應運而生。高頻感應等離子體又叫感應偶合等離子體，是Reed于1961年研制成功的。其優點有二：一是氣體流速比直流等離子體的噴射速度約低一個數量級，至多不過30m/s，易于獲得數厘米直徑的等離子體，反應物可在等離子區滯留10毫秒，因而能在等離子區進行較充分的化學反應，對反應過程也能進行控制，二是無電極放電，不會出現反應物對電極的腐蝕和電極物質混入反應體系成為雜質，可以使用級化物、O2、uf6等各種強反應性氣體。

采用高頻等離子體合成陶瓷微粉體時，根據注入物質是粉體還是氣體，可選擇二種稍有不同的工藝：前者是粉體在等離子體中蒸發，獲得超高溫蒸氣，在冷卻過程中進行化學反應，后者是氣體物質在等離子體中進行解離、分解等一系列高溫化學反應和其后的冷卻過程中的化學反應。我們把前者稱為“反應性高頻等離子體蒸發法”，后者稱為“高頻感應等離子體化學氣相淀積法”。超高純度的氧化物系陶瓷，格外受到人們青睞，作為電子材料，今后的需求量將迅速增加。

2、高頗等離子休淀積無機膜

等離子體化學的許多工作都與薄膜的制備和研究有關，上述“高頻等離子體化學氣相淀積法”通常即是針對制膜而言的。這方面的研究近20年來進展非?？臁Ｔ诎雽w工業中，這種技術已成為大規模集成電路干式生產工藝中的重要環節。自1973年以來，英、美、日等國相繼用這種技術制成了氫化非晶硅（α-Si：H）薄膜。利用該技術可以制備Al2O3、BN、TiN等絕緣、耐腐蝕、耐磨的固體薄膜，正處于走向實用化的階段。

高頻等離子體淀積薄膜工藝分為等離子體增強化學氣相淀積（PACVD）和等離子體增強物理氣相淀積（PAPVD）兩大類。PACVD是使反應性氣體通過等離子體區進行化學反應后在襯底上成膜，其電場頻率可從300Hz直到微波，但較常用的是13.5MHz。與基于熱化學的化學氣相淀積（CVD）方法相比，PACVD可以大大降低淀積溫度，從而不致使襯底發生相變或變形。例如用CVD方法在硅片上淀積Si3N4膜需要900℃以上高溫，而用PACVD方法只要350℃，而且成膜質量高，從而使Si3N4得以成功地用作集成電路鈍化膜。PACVD還可以用于磷硅玻璃、非晶材料、超導膜、外延硅、SiC、WSi2以及各種薄膜敏感元件的制備。

PAPVD是基于動量傳遞的鍍膜技術。其基本原理是，在等離子體空間，放電氣體的粒子被電場加速轟擊陰極靶材料使其原子飛濺出來，淀積在基體材料上形成薄膜。由于濺射的粒子動能可高達1-40eV，所以膜與基體的結合強度要比普通物理氣相淀積（PVD）如蒸發鍍膜高得多。而且淀積溫度低，甚至可在塑料上鍍膜。用PAPVD方法可以淀積金屬（如Cu、Ag、Au、Ti等），氧化物（如ZnO、SiO2等）、碳化物（如SiC、TiC、TaC等）、氮化物（如AlN、Si3N4、NiN、TaN等）薄膜。

三、利用低溫等離子體合成高聚物

等離子體聚合是多分子反應中的原子反應和聚合反應，主要包含等離子態聚合（PSP）和等離子體誘導聚合（PIP）兩個方面。二者的區別在于，前者是通過等離子體活化的原子或分子物種的再結合和聚集的高分子化，包括氣相反應中間產物的間接聚合過程，而后者是通過等離子體物種作引發劑誘導的鏈鎖聚合過程，是使單體的化學結構不受破壞的表面相的直接聚合。

人們用等離子態聚合技術成功地制備了許多性能特異的亞穩態結構的有機高聚物、硅、氮化硅和有機金屬化合物以及這些材料的超薄膜，發展了一種新興的薄膜制備技術一一等離子體聚合淀積。用這種技術制得的高聚物薄膜有超?。蛇_幾個納米）、堅實致密、均勻、無針孔、結構上高度交聯、無定形、與基體粘附力強等優點，具有優良的化學、機械、光學和電氣性能，可以制成高強度耐磨膜、光學保護膜、電學絕緣膜、反滲透膜、選擇性滲透膜等，從而在化工、半導體、微電子學、光學、光纖、激光和太陽能等方面有著十分廣泛的應用。

結束語

等離子體技術在化學工業生產方面已有相當多的研究成果和進展，但遠遠落后于實驗室研究，究其原因主要是設備的成熟度、成本等的制約。等離子體技術符合可持續發展要求，在倡導節能減排的今天，更能突顯出其綠色環保的優勢。相信通過研究人員的不懈努力，這一技術必將造福于化工行業。

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