本书以低温等离子体技术为切入点,结合作者多年来的研究进展,介绍了等离子体的基本特性、工作原理、产生方法,及其在功能薄膜制备、材料改性、集成电路制造等工业领域的应用。全书共8章,内容包括电荷在电磁场中的运动、电子源与电子束、等离子体的特性及其应用、暗放电、直流辉光放电和直流电弧放电、射频等离子体、微波等离子体原理及应用等。
前言
宇宙万象,存乎气、液、固三态之间,世人习以为常。然天地之外,星汉之间,更有一种存在,不囿于形,不滞于物,可谓“其形无常,其性至变”——此即等离子体也。它由电离之气凝聚而成,内蕴正负离子、电子与中性粒子,虽带电而整体守中,故谓之“等离子体”。其性也柔,其用也刚; 其象也微,其功也显,“阴阳合德而刚柔有体”。等离子体既具光电热之妙,又能激发万千物理化学变化,诚为第四态物质之代表。自宇宙深处至人间器用,无处不现其身影。
近年来,等离子体科技日新月异,既推动材料、能源、信息、环境诸学科之进展,亦助力空间物理、地球物理之探究。其用也广,其益也深,实为国家发展之重要支撑。本书之作,意在揭示其理,彰明其用,自电荷在电磁场中之运动,至电子源与电子束、暗放电、辉光放电、电弧放电,以及射频与微波放电诸般现象,逐一阐述,以期融会贯通。
全书凡8章,乃武汉工程大学诸同仁集思广益、共襄而成。马志斌总揽全局,定其框架;赵洪阳主笔初稿与定稿,并撰第1章、第4章部分及第5章; 付秋明执笔第2章,兼理全文脉络; 曹为撰第7章、第8章; 陶洪撰第6章; 许传波撰第3章部分章节; 刘繁撰第8章部分章节; 匡双阳撰第4章部分章节; 另有欧锴、周焱文、肖桂林、吴启瑞、沈厚明、刘美涵、翁俊、罗文博、王世奥、杨思捷诸君,协力提供案例、整理格式、绘制图表,助成其事。武汉普迪真空科技有限公司鼎力襄助,于等离子体设备诸端多所指陈,更有烽火、亿纬、国家电网、鼎龙诸企业倾力相助,俾学校与企业、原理与应用相得益彰。本书之成,亦承武汉工程大学本科生院资助,并得诸位同仁与读者之襄助,谨此致谢。
愿此书能如春风化雨,润物无声,启迪后学,助益四方。诚望读者与方家不吝赐教,俾使此书日臻完善。
赵洪阳
2025年12月
赵洪阳,2008年于山东大学获得博士学位,之后在日本国立材料研究所分别担任日本学术振兴会特别研究员、客座研究员、研究顾问,2012年入职中科院上海硅酸盐研究所(所百人计划),2015年入职武汉工程大学(湖北省相关人才计划、工大学者)。承担国家基金委重大研究计划、国家自然科学基金、湖北省自然科学基金等项目,发表论文80余篇,参与编写上海辞书出版社《大辞海》。获得校“巾帼十佳”、“先进工作者”、“优秀导师”、“十佳师德标兵”等。
目录
第1章引言
1.1你见过等离子体吗
1.2等离子体的定义
1.3等离子体的分类
1.3.1按照温度分类
1.3.2按照电离程度分类
1.3.3按照粒子密度分类
1.3.4等离子体分类的其他标准
1.4等离子体的产生方法
1.4.1等离子体产生方法的分类
1.4.2选择等离子体产生方法的关键因素
1.5等离子体的研究进展
1.5.1等离子体的发展简史
1.5.2等离子体的研究现状
第2章电荷在电场和磁场中的运动
2.1带电粒子在电场中的运动
2.1.1电荷在匀强电场中的运动
2.1.2电荷在非匀强电场中的运动
2.2带电粒子在磁场中的运动
2.2.1带电粒子在均匀恒定磁场中的运动
2.2.2电荷在变化磁场中的运动
2.3带电粒子在恒定电磁场中的运动
2.3.1电磁交叉场粒子动力学
2.3.2交叉场漂移速度
2.3.3磁电加热
2.3.4磁控溅射原理
2.4带电粒子在缓变电磁场中的运动
第3章电子源和电子束
3.1电子源
3.1.1热电子发射源
3.1.2场致电子发射源
3.1.3光电子发射源
3.1.4二次电子发射源
3.2电子源和电子束的特性
3.2.1电子束参数
3.2.2电子源的技术指标
3.2.3电子束的偏转
3.2.4电子束的准直与聚焦
3.3电子束的应用
3.3.1电子束加工
3.3.2电子束蒸发镀膜
3.3.3电子束增材制造
3.3.4扫描电子显微镜和透射电子显微镜
3.3.5电子束放射治疗
3.3.6检疫处理
第4章等离子体的特性及其应用
4.1等离子体的基本参量
4.2等离子体鞘层
4.2.1等离子体鞘层的含义
4.2.2德拜屏蔽与德拜长度
4.3等离子体的准中性
4.4等离子体的频率
4.4.1等离子体频率的定义
4.4.2等离子体响应时间
4.4.3入射频率与电子等离子体频率的关系
4.5电子碰撞频率
4.6低压放电
4.6.1低压放电管
4.6.2电压?电流特性
4.7等离子体电源
4.7.1射频电源的优点
4.7.2射频电源的国内外发展现状
4.8低温等离子体诊断
4.9等离子体的应用
4.9.1等离子体刻蚀
4.9.2等离子体推力器
第5章暗放电
5.1气体分子运动论
5.1.1引言
5.1.2常用单位与公式
5.1.3分子函数及平均量
5.1.4粒子间的碰撞
5.1.5等离子体光谱的产生机理
5.2气体放电
5.2.1气体放电的定义
5.2.2气体放电的基本理论
5.2.3气体放电的形式和现象
5.2.4气体放电伴随的效应及其应用
5.2.5低气压气体放电
5.3本底电离区和饱和区
5.3.1本底电离区
5.3.2饱和区
5.4汤森放电
5.4.1电流增长过程
5.4.2汤森第一电离系数
5.4.3暗放电的平行平板结构
5.5电晕放电
5.5.1电晕产生机理
5.5.2极不均匀电场中的放电过程
5.5.3电晕的应用
5.5.4电晕的危害
5.5.5消除电晕的措施
5.6电击穿
5.6.1二次电子发射系数
5.6.2汤森判据
5.6.3帕邢定律
5.6.4影响气体击穿电压的主要因素
第6章直流辉光放电等离子体和直流电弧放电等离子体及应用
6.1直流辉光放电等离子体
6.1.1低气压直流辉光放电
6.1.2正常辉光放电区
6.1.3阴极区的汤森理论
6.1.4非磁化等离子体
6.1.5直流辉光放电等离子体源
6.1.6直流辉光放电的应用
6.2直流电弧放电等离子体
6.2.1电弧工作区
6.2.2电弧现象学
6.2.3电弧中的物理过程
6.2.4电弧的引燃机制
6.2.5电弧放电的应用
第7章射频等离子体原理及应用
7.1射频等离子体概述
7.2感性耦合等离子体放电
7.2.1电子等离子体频率
7.2.2临界密度
7.2.3电导率和能量转换频率
7.2.4等离子体的趋肤深度
7.2.5假设的初始条件
7.2.6传播常数
7.2.7趋肤深度
7.2.8射频等离子体中的电场
7.3容性耦合等离子体放电
7.3.1容性耦合等离子体放电的理论模型
7.3.2容性耦合等离子体中的电子加热机制
7.3.3磁化等离子体放电
7.4射频等离子体的应用
7.4.1射频溅射镀膜
7.4.2射频等离子体刻蚀
7.4.3等离子体增强化学气相沉积
7.4.4等离子体清洗及其在半导体先进封装中的应用
7.4.5等离子体炬的应用
第8章微波等离子体原理及应用
8.1微波电磁场
8.1.1麦克斯韦方程和边界条件
8.1.2磁控管
8.1.3微波装置传输线
8.1.4微波元器件
8.2典型的微波等离子体装置
8.2.1电子回旋共振微波等离子体装置
8.2.2微波等离子体化学气相沉积装置
8.2.3常压微波等离子体装置
8.2.4表面波等离子体装置
8.2.5多路耦合型微波等离子体装置
8.3微波等离子体应用
8.3.1MPCVD制备金刚石
8.3.2微波等离子体炬技术应用
8.3.3PCVD制备高性能光导纤维
8.3.4微波等离子体技术在亚深微米刻蚀领域的应用
8.3.5微波等离子体技术在军事、航空航天领域的应用
8.3.6微波等离子体在其他领域的应用
参考文献