Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего образования
«Южный федеральный университет»
Институт нанотехнологий, электроники и приборостроения
ОТЧЁТ
О ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ
ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
1 Плазмохимия
Плазмохимия – раздел физической химии, изучает химические и физико-химические процессы в низкотемпературной плазме. Температуры, при которых протекают химические реакции, находятся в диапазоне 103–105 К и при давлениях 10−1–109 Па. Установки и устройства, в которых проводят плазмохимические процессы называют плазмотронами и плазменными реакторами.
Специфические особенности плазмохимических реакций обусловлены тем, что в отличие от традиционных химических процессов они проводятся в системах, открытых в термодинамическом смысле: для получения плазмы необходимы внешние источники энергии и часть её расходуется на осуществление (инициирование) химических процессов. Это же объясняет и существенную неравновесность, наблюдаемую и используемую во многих плазмохимических процессах. Наиболее часто применяется газоразрядная плазма и для её создания необходимо присутствие внешнего источника электрической энергии. Можно выделить три основных этапа в инициировании и проведении плазмохимических реакций.
Во-первых, энергия от внешнего источника передаётся в газ через электронную компоненту плазмы.
Во-вторых, электронный газ передаёт полученную энергию тяжёлым частицам в процессах нагрева, возбуждения внутренних степеней свободы атомов и молекул, ионизации, диссоциации. Таким образом происходит перераспределение энергии внешнего источника между тяжёлыми частицами и создаются химически активные частицы. Обычно доля, идущая на нагрев газа (особенно в неравновесных условиях) мала и в основном энергия электронов расходуется на возбуждение внутренних степеней свободы атомов и молекул.
В-третьих, происходят химические превращения в полученной химически активной среде.
Таким образом, процессы в химически активной плазме связаны с присутствием трех групп частиц: заряженных, возбуждённых и нейтральных невозбуждённых (исходные вещества, атомы, радикалы, продукты промежуточных реакций) и роль электронной компоненты плазмы в инициировании реакций является определяющей.
Кроме того, плазмохимические системы характеризуются большой плотностью энергии, а присутствие большого числа реакционноспособных частиц ведёт к многоканальности плазмохимических процессов. Это означает, что один и тот же суммарный процесс в зависимости от параметров плазмы (давление, степень ионизации, удельный энерговклад и т.д.) может происходить принципиально различными путями.
Особенность плазмохимических реакций создаётся ещё и характером химического взаимодействия частиц. Это выражается процессами неупругих взаимодействий (столкновений, соударений), которые происходят в плазме.
Таблица 1 – Неупругие процессы в плазме тлеющего разряда
Процесс |
Схемы взаимодействия частиц |
Возбуждение (экситация) |
|
Диссоциация |
|
Ионизация (генерация катионов) |
|
Присоединение или захват (генерация анионов) |
|
Ионизация (катионы) с диссоциацией |
|
Присоединение с диссоциацией |
|
Рекомбинация с диссоциацией |
|
Передача заряда |
|
Диссоциация Пенинга |
|
Ионизация Пенинга |
|
Так, для плазмы тлеющего разряда характерны процессы, приведённые в таблице 1 (в ней – электрон; A, B – нейтральные атомы веществ; – двухатомная молекула; – катионы и анионы веществ; – экситированный (возбуждённый) атом; – радикал (атом (в целом – молекула) с одним (или несколькими) неспаренным(-и) электроном(-ами)).
Рассматривая плазмохимические процессы в аспекте их применения в технологии, можно выделить два способа взаимодействия частиц плазмы с частицами целевого материала: плазменный и ионный. Для первого характерно то, что обрабатываемый материал помещён в плазму или находится в непосредственной близости от неё и подвергается воздействию всего набора частиц плазмы: возбуждённых атомов и молекул, радикалов, положительно и отрицательно заряженных ионов, электронов, а также ультрафиолетовому и тепловому облучению из плазмы. Для второго – обрабатываемый материал находится вне плазмы и обрабатывается только ионами, отбираемыми из плазмы.