螺旋波等离子体放电特性研究进展

螺旋波等离子体是目前低温等离子体产生密度最高的等离子体源之一,在材料处理、薄膜沉积、宇航推进、磁约束聚变以及基础等离子体物理研究等领域都有很大的应用潜力.近年来国内外研究者普遍关注这种高密度等离子体源,一方面人们对螺旋波等离子体的放电理论缺乏深入的认识,对等离子体激发和传播过程中能量的吸收存在多种假设,比较认可的是螺旋波等离子体通过螺旋波与TG波耦合效应实现能量沉积;另一方面,螺旋波等离子体放电过程中会表现出许多独特的现象,如低场峰、模式跃迁、无电流双层结构等,无法给出统一的解释,对这些放电特性的研究无疑有助于加深对螺旋波等离子体放电机制的理解.文章从放电机制和放电特性两方面出发回顾了近15年来螺旋波等离子体基础研究进展,总结了螺旋波等离子体放电过程中的低场峰现象、模式跃迁和无电流双层现象等研究结果.围绕螺旋波等离子体放电特性研究,展望了未来的研究重点,为理解螺旋波等离子体能量耦合机制,实现工业应用提供支撑.

滑动弧等离子体固氮研究进展

传统工业固氮采用哈伯-博施(Haber-Bosch)工艺,但是需要高温高压,能耗高,污染严重。滑动弧等离子体(Gliding arc plasma,GAP)兼具热等离子体和冷等离子体的优点,能够高效地产生活性物种,显著提高能量效率,使其在固氮领域具有很大的潜在应用价值,近年来受到人们的广泛关注。然而,目前GAP固氮相关研究还比较零散,有必要对具体内容进行总结归纳。本文主要综述了近10年来国内外GAP固氮研究进展,主要包括GAP放电机制、反应器设计、工艺参数研究以及固氮反应机理研究。GAP放电存在击穿伴随滑动放电的B-G模式和持续稳定放电A-G模式,A-G模式放电有助于提高固氮效率。随着滑动弧放电技术的不断发展,GAP反应器中电极结构从传统的2D刀片结构演变到了多种3D柱形结构。通过工艺优化,GAP有助于N_(2)分子的振动激发,从而促进N_(2)分子的分裂转化。最后,对GAP固氮研究进行了展望。

纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体合成氨工艺条件优化

氨(NH3)作为重要的化工原料对农业及国计民生发展有直接影响。工业合成氨需高温高压、能耗高和污染重。低温等离子体技术是一种可持续,有潜力的合成氨途径,已成为国内外研究热点。本工作以氮气和氢气为原料,在低温常压下采用纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体合成氨,通过单因素实验系统研究脉冲峰值电压、脉冲重复频率、气体总流量、N_(2)和H_(2)体积比(V(N_(2))∶V(H_(2)))等因素对合成氨速率及能量产率的影响规律。进一步通过正交实验评价确定影响合成氨反应速率因素的主次顺序为:脉冲峰值电压>脉冲重复频率>气体体积比>气体总流量。影响合成氨能量产率因素的主次顺序为:脉冲峰值电压>气体体积比>脉冲重复频率>气体总流量。结合两部分实验,最终得到合成氨的优选条件:脉冲峰值电压16 kV、脉冲重复频率6 kHz、脉冲上升沿100 ns、V(N_(2))∶V(H_(2))=1∶1、气体总流量200 mL/min。此时NH3合成速率最高为923.08μmol/h,能量产率为0.30 g/kWh。

非热等离子体材料表面处理及功能化研究进展

等离子体技术在现代材料制备和表面处理过程中起着重要的作用.本文聚焦于非热等离子体(NTP)材料表面处理及功能化应用,重点综述NTP在材料表面处理及功能化过程中的最新研究进展,包括激励产生等离子体的等离子体源、NTP材料表面处理及功能化工艺以及具体应用.其中,激励产生等离子体的等离子体源包括感应耦合等离子体/容性耦合等离子体、电子回旋共振/表面波等离子体、螺旋波等离子体、大气压射流等离子体和介质阻挡放电等;NTP材料表面处理及功能化工艺包括等离子体表面接枝和聚合、等离子体增强化学气相沉积和等离子体辅助原子层沉积、等离子体增强反应刻蚀和等离子体辅助原子层刻蚀工艺等;等离子体表面处理及功能化的具体应用领域包括亲水/疏水表面改性、表面微纳加工、生物组织表面处理、催化剂表面处理等.最后提出了NTP技术材料表面处理及功能化的应用前景与发展趋势.

低温等离子体合成氨研究进展

氨是人们生产生活最重要的化工原料之一,但传统的合成氨过程需要在高温高压条件下进行,其年均能耗约占到世界能源总消耗的1%~2%。同时,由于其能量来自于化石燃料燃烧,此过程会不可避免地加重温室气体的排放。因此,寻找合适的绿色替代方案,在温和条件下实现高效、低能耗、低排放合成氨,成为该领域的研究热点。低温等离子体合成氨技术可以改善传统合成氨苛刻的反应条件,使反应在更温和的条件下进行,且具有原料廉价易得、不排放温室气体等优点,采用此技术合成氨越来越受到重视。本文综述了国内外低温等离子体合成氨技术近期取得的研究成果,包括等离子体源的选择、催化剂开发、反应器结构设计、放电参数优化、反应机理探索等。此外,基于该领域的研究现状,对低温等离子体合成氨发展方向进行了展望。

螺旋波等离子体研究进展

螺旋波等离子体为目前能产生最高等离子体密度的低温等离子体源之一,在低温等离子体应用领域中备受关注。螺旋波等离子体源具有电离效率高、电子密度高、约束磁场低、结构相对简单、可在极低气压下放电等优点,使其在集成电路工艺、薄膜沉积、刻蚀、表面改性和等离子体宇航推进等领域有着广泛的应用前景。本文综述了近年来螺旋波等离子体的主要研究进展,包括螺旋波等离子体的基本原理、耦合机制、低场峰现象、双电层结构等放电特性以及推进机制的研究进展,在此基础上展望了螺旋波等离子体未来的发展方向。

微波ECR等离子体刻蚀AAO模板中HfO_2薄膜的研究

采用微波电子回旋共振(ECR)等离子体装置,对用原子层沉积(ALD)方法在阳极氧化铝模板(AAO)上制备的HfO_2薄膜进行了纳米图案化研究。用CF_4、Ar和O_2等离子体,对HfO_2薄膜进行了反应离子束刻蚀,以移除HfO_2。采用高分辨率扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和能量色散X射线光谱显微(EDX)分析,对样品刻蚀前后的形貌、结构和化学成分进行了表征。实验表明,HfO_2的刻蚀具有定向性,利于高深宽比微机械结构的加工。在其他参数固定的情况下,深宽比高达10∶1的结构中HfO_2的刻蚀速率是微波功率、负脉冲偏压、CF_4/Ar/O_2混合比(Ar含量在0～100%)和工作气压的函数。在0.3 Pa气压、600 W微波功率、100 V偏置电压下,HfO_2拥有0.36 nm/min的可控刻蚀速率,利于HfO_2的精准图案化。刻蚀形貌表明,在CF_4/Ar/O_2等离子体刻蚀之后,刻蚀面非常光滑,具有0.17 nm的均方根线粗糙度。

非均匀磁场螺旋波等离子体研究进展

螺旋波等离子体具有高电离率、低工作气压、低外加磁场、无内电极、静态均匀性好等特点,广泛应用于聚变研究、等离子体推进、等离子体材料处理等领域。均匀磁场和非均匀磁场下螺旋波等离子体的耦合效率有所不同,在螺旋波等离子体源中应用非均匀磁场可显著改善等离子体参数和射频能量吸收,提高等离子体电离效率。本文主要对非均匀磁场下的螺旋波等离子体的磁场设计及分布、放电特性、应用进行综述,并展望了非均匀磁场螺旋波等离子体的发展方向。

等离子体辅助原子层沉积技术包覆硅基氮化物荧光粉的结果性能研究

采用等离子体辅助原子层沉积的方法,通过振动流化床,在硅基氮化物荧光粉表面保形地包覆了氧化铝薄膜。分别用傅立叶红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和pH计对包覆前后荧光粉的表面成分、形貌和耐水性进行了测试。最后,还用荧光光谱仪对包覆前后荧光粉的PL发光进行了表征。结果表明,氧化铝被保形地包覆在荧光粉颗粒表面。包覆大大提升了荧光粉在水中的稳定性。包覆一定厚度的氧化铝对发光性能有所提升并可以略微降低荧光粉的色温。

包装材料及食品中纳米材料的检测与表征技术

随着纳米技术的发展,纳米材料在包装行业及食品工业中得到了广泛的应用。然而,纳米材料的安全应用高度依赖于对其生物及环境效应的了解。有研究表明,纳米材料对人类健康及生态环境存在着潜在危害,这使得纳米材料的安全性成为毒理学领域的热点研究课题。同时纳米材料的安全性问题也成为纳米复合包装材料及纳米食品研究和开发的新瓶颈。在对纳米材料没有充分认识的情况下,为了消费者和生态环境的安全,必须控制包装材料及食品中纳米颗粒的种类、来源、含量及可能的释放,这就需要可靠的方法对纳米颗粒的性质和结构进行检测及表征。首先,综述了目前纳米材料在复合包装材料及食品加工中的应用,然后总结了包装材料及食品中纳米材料的检测技术及表征方法,例如显微技术、色谱分离技术、光谱与质谱技术等。由于纳米材料的理化性质参数众多,应用多种分析手段来检测和表征纳米材料成为必然。最后对目前检测技术及表征方法的不足和今后发展方向进行了探讨。

介质阻挡放电辅助催化CO_(2)甲烷化的研究

重点介绍了近10年来用于介质阻挡放电(DBD)辅助催化CO_(2)甲烷化的镍基催化剂的研究成果,包括不同等离子体工艺参数下的催化剂活性,同时涉及催化剂的活化方式、载体、助剂等实验条件对催化效果的影响,揭示了介质阻挡放电辅助催化CO_(2)甲烷化中等离子体与催化剂的协同效应和反应机理。最后针对DBD等离子体辅助催化体系目前所面临的挑战,提出了新的展望。

基于超声原子力显微镜的检测技术及应用研究

随着纳米材料和纳米技术的发展,对纳米级横向分辨率弹性测量及对次表面缺陷纳米范围成像方法的需求日趋增加,而目前传统的测试方法无法满足纳米尺度的弹性及次表面缺陷的检测。本研究提出的超声原子力显微镜技术,将原子力显微镜与超声方法相结合,即通过使原子力显微镜探针的悬臂梁或被测试件作超声振动,实现在纳米或亚微米尺度无损检测材料的弹性性能。本文基于原子力显微镜,通过激励试样底部的传感器,并采用锁相放大器调制出悬臂梁的振幅,构建了超声原子力显微镜系统,理论分析了超声原子力显微镜的悬臂梁超声振幅成像机理,通过实验得到SiO_x纳米薄膜的超声幅值影像。

XeI~*准分子紫外光源的发光特性研究

采用石英做介质阻挡层,对高气压XeI*准分子紫外光源进行了实验研究,从放电功率、放电频率、总气压、气体配比等参数分析了光源的工作特性,其最佳工作参数为总气压320Torr、I2分压0.37%,电源频率58.7kHz。在此条件下当放电电压4.6kV、功率66W时,在距光源8.5cm处得到的紫外光辐射强度为31.2μW/cm2。

用于全固态锂电池的LiSiPON电解质薄膜的制备及电导性能研究

利用磁控溅射方法在N2气氛下制备出了LiSiPON电解质薄膜，研究了薄膜的结构、形貌和组成，着重探讨了薄膜中N含量对薄膜离子电导率的影响。随着N2分压的增加，薄膜中的N含量逐渐增加，0.53Pa时达到最大，超过此分压N含量又逐步下降。随着薄膜中N含量的增加，离子电导率提高，最大达10．4×10^-6S／cm（室温），这对固态电解质薄膜来说是足够了。为了测量电解质薄膜的电化学稳定性，组装了LiCoO2／LiSiPON／SnO2薄膜电池，显示出了良好的循环性能。

20CrNiMo钢表面空心阴极辉光放电制备类金刚石膜

在真空炉内以石墨为电极,利用空心阴极辉光放电在20CrNiMo上成功地沉积了类金刚石(Diamond-like carbon,DLC)薄膜,利用激光拉曼(Raman)光谱分析了所制备DLC薄膜的结构;利用原子力显微镜(AFM)分析了DLC薄膜的表面形貌;利用划痕仪测量了DLC薄膜与基体的结合力并用扫描电子显微镜(SEM)观察了划痕形貌;利用球-盘摩擦磨损实验仪对DLC薄膜的耐磨性能进行了研究。结果表明:在本实验工艺条件下沉积的类金刚石薄膜厚度约为0.6μm,薄膜均匀且致密,表面粗糙度Ra为7～8 nm。类金刚石薄膜与基体结合较紧密,临界载荷达到52 N。DLC薄膜具有优良的减摩性,20CrNiMo表面沉积DLC薄膜后摩擦系数为0.15,较20CrNiMo基体的摩擦系数0.50明显减小,耐磨性能得到提高。

HiPIMS沉积光电薄膜研究进展:放电特性和参数调控

高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术具有离化率高、等离子体密度高、沉积温度低、薄膜结构致密等优点,与沉积超硬耐磨涂层相比,HiPIMS技术在光电薄膜沉积中的应用相对较少,且HiPIMS镀膜过程中涉及工艺参数较多,工艺参数的选择直接影响着沉积薄膜的结构和性能。基于这两个问题,系统梳理HiPIMS在光电薄膜沉积中放电的时空演变特性,重点介绍HiPIMS技术在光电薄膜沉积过程中的关键工艺参数,包括峰值功率密度、衬底材料、掺杂、偏置电压等,对薄膜结构和性能的影响规律,最后展望HiPIMS技术在光电薄膜沉积中的应用前景与发展趋势。

KGd(WO_4)_2为基质的激光晶体被动锁模研究现状及前景

本文讨论了大功率飞秒激光器对增盆介质的要求,根据各种KGW为基质的激光材料的光谱学以及热学参数,重点分析了KGW激光晶体在获得大功率飞秒脉冲上的优势,给出了采用此类材料进行锁模实验与半导体可饱和吸收镜之间的关系。同时通过对目前KGW的飞秒实验报道的综述,探讨了影响此类材料飞秒锁模的一些关键因素,综述了以KGW为基质的激光晶体被动锁模的大功率激光器的研究进展与发展潜力。

高功率脉冲磁控溅射制备ZnO薄膜的研究进展

氧化锌薄膜材料由于具有高电导率、良好的光学透过率、原料储存丰富、成本低廉的特点,被认为是最具有潜力的透明导电薄膜。特别是其宽禁带(3.37e V)和高达60meV的激子束缚能,使其在环境温度制备同质结发光器件、太阳能电池电子传输层具有巨大的应用前景。然而,传统制备方法难以实现薄膜质量的综合调控,存在p-ZnO稳定性差、制备的薄膜重复性差、组装的器件效能较低等问题。高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术具有溅射材料离化率高的特点,非常适合需要离子反应的各类薄膜。当采用HiPIMS制备氧化物、碳化物、氮化物薄膜时,利用其高电离率还可以获得较高的靶离子和掺杂离子,可实现晶格替代、间隙原子等缺陷的形成,制备稳态的材料,如制备稳定p-型半导体材料。本文综述了近年来HiPIMS制备氧化锌薄膜的研究进展,主要是给出HiPIMS制备ZnO薄膜的放电特性和工艺参数的影响,最后展望了HiPIMS制备稳定p-ZnO薄膜的发展方向。