常压等离子体沉积薄膜及不同频率等离子体的特性研究

摘要

近年来，随着等离子体技术的不断发展，大气压等离子体射流因结构简单，无需真空腔室已经在环境、材料、农业和医学等领域中得到了广泛的应用。等离子体具有能量较高的化学基团，这或许对于缓解越来越紧缺的资源这一现状是有用的，比如在处理高分子材料时，较高的能量有利于提高与材料的反应速率，这样可以有效地节省时间。与针-板型的等离子体装置相比，本文针-环状的电极设计有效地增长了等离子体羽，其结构更加利于便携式的小型化生产。双频大气压等离子体的气体温度更接近于室温，对所处理材料的伤害较小，而且带电粒子的密度能够达到1011~1012cm-3，等离子体的活性相对较强；从另一方面讲，和单频驱动相比，双频既有低频源那样较长的等离子体羽，可以处理较复杂和体积较大的物体，有效地增大了等离子体羽的空间范围，同时集聚了射频等离子体的优点，等离子体中活性粒子的密度相对较高，在沉积薄膜的过程中促进了组成薄膜成分的粒子在薄膜表面的反应，使沉积过程更加高效。
　　所谓双频驱动是同一支石英管上两个电极连接的千赫兹低频和兆赫兹射频功率源共同作用的，产生的双频等离子体射流扩大了α模式放电的稳定运行范围，使等离子体在较大的电压范围内保持稳定的放电，等离子体羽长可达数十厘米，这些在等离子体的实际应用中具有一定的意义。使用50kHz/33MHz双频在沉积有机硅薄膜过程中，源料气体六甲基二硅氧烷（HMDSO）在等离子体作用下发生了裂解，分解成小的HMDSO分子碎片，这些碎片都是活性较高的自由基，在不断通入源料HMDSO时，HMDSO分裂的活性基都是随其含量增加而增多的，发射光谱强度都是先增大再减小最后降到最低。沉积薄膜的X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶红外光谱（FTIR）分析表明所沉积的是SiOxCyHz薄膜，由Si-O-Si为主要骨架，带有甲基和羟基等官能团共同组成的。
　　基于双频的优势，由50kHz/2MHz和50kHz/33MHz组合频率制备的薄膜成本较低薄膜质地也相对均匀，气体温度不超过200℃，50kHz/100MHz双频合成的混合相TiO2晶体在性能上表现更加优越，二氧化钛颗粒的尺寸是纳米级的，催化活性得到了较大的提升。以上用于材料合成的驱动源中所使用的射频不同，因此我们有必要对单个射频的放电特性进行详细研究，本文涉及到三个频率(25MHz、64MHz和100MHz)作为重要参数来进行射频放电的特性比较，文献中也有不少关于不同频率的射频等离子体特性的报道，但都是千赫兹范围或工业等离子源13.56MHz，介于25MHz~100MHz之间的射频源很少报道。频率对大气压冷等离子体射流的影响我们通过光谱诊断和电学特性来进行评估，通过对25MHz、64MHz以及100MHz三个频率的特性分析，为进一步双射频耦合放电提供可实现性，也为大气压下射频耦合的应用做一个铺垫。

目录

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西北师范大学研究生学位论文作者信息

第一章 绪论

1.1 等离子体基本概述

1.2 产生冷等离子体的方法

1.3 等离子体化学气相沉积

1.4 大气压等离子体的研究背景

1.5 本文研究的主要内容

参考文献

第二章 实验装置及检测

2.1 引言

2.2 实验装置

2.3 光谱仪系统和射频分析仪

2.4 薄膜的检测

参考文献

第三章 通过双频50kHz/33MHz大气压等离子体射流沉积有机硅薄膜

3.1 引言

3.2 薄膜沉积过程中的等离子体光谱

3.3 薄膜的特性表征

3.4 薄膜的功能特性

3.5 本章小结

参考文献

第四章 不同频率下单频放电的特性比较

4.1 引言

4.2 等离子体射频放电装置的改进

4.3 等离子体的光谱特性

4.4 三个频率所测的电学性质

4.5 本章小结

参考文献

第五章 总结与展望

附 录：

致谢