等离子体常被称为“物质的第四态”,本质是:
气体被能量激发后变成:电子 + 离子 + 中性原子 + 激发态分子 + 自由基 的混合体。
等离子体有哪些性质?
1,高温高能(但整体温度不一定高)
电子温度非常高(可达 1~10 eV,相当于上万 K)
但总气体温度并不一定高(低温等离子体 < 150℃)。
因为:
电子非常轻 → 很容易被电场加速
电子虽然动能大,但因为质量太小(就像一只飞得极快的苍蝇撞上一辆卡车),它们在碰撞时很难把能量传递给重粒子(离子或原子)。如果在低气压下,碰撞频率低,重粒子就来不及热起来。
所以产生了一个“奇怪的状态”:
局部微观极高能量,但整体温度可控(不会把晶圆烧掉)。
2,良好的导电性
普通气体(如空气)由中性的原子或分子组成,它们不带电,电子被牢牢束缚在原子核周围,无法自由移动,因此普通气体通常是绝缘体。
但在等离子体中,由于高温或强电场的作用,气体发生了电离。
电子挣脱束缚: 原子中的电子获得足够的能量,挣脱了原子核的引力,变成了自由电子。
形成离子: 失去电子的原子变成了带正电的离子。
结果: 此时物质不再是中性的,而是具有了良好的导电性。
3,化学活性强
电子撞击产生的碎片中,包含大量的自由基。
它们是带有“不成对电子”的原子或基团。因为电子总是倾向于成对存在,所以自由基处于极度不稳定的状态,它们极其渴望抢夺其他物质的电子以达到稳定。
这种“渴望”使得自由基能与几乎任何表面发生反应,即使是特氟龙(PTFE)这样极其惰性的材料,遇到等离子体中的自由基也会发生反应。
原子内部的电子获得能量后,会从低能级(基态)瞬间“跳”到高能级(激发态)。此时的原子处于“激发态”,是不稳定的,它想回到舒适的低能量状态。电子在极短的时间内(纳秒级)就会从高能级“掉”回低能级。
这种“掉落”释放出的能量差,必须有个去处。于是,它以光子的形式发射出去。这就是我们看到的辉光。
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