微波等离子体技术及应用

随着科技的进步、低温等离子体技术的迅速发展及应用，使在生物医学、功能材料制备及污染物处理等方面呈现出广阔的应用前景。微波等离子体作为一种典型的低温等离子体技术，其高电离度能够提供高能量注入效率，同时无极放电的结构特点，能够很好满足一些对工作环境有特殊要求的应用需求。基于此，微波等离子体逐渐成为低温等离子体技术的研究热点。目前关于微波等离子体的研究主要分为微波等离子体发生和应用研究两大类，其中前者主要包括微波等离子体装置的设计研发和微波等离子体特性表征，后者则以微波等离子体技术在发射光谱光源、薄膜沉积及净化废气等方面的应用研究为主。
微波等离子体技术及原理
微波等离子体的产生原理是利用波导装置将微波能量注入气体分子，诱发气体分子产生激发、电离等一系列反应，进而产生高反应活性的等离子体，微波电磁场“空洞结构”的特征能够将激励电离产生的等离子体限定在特定的空间内同时实现对等离子体的传输。微波能量激励电子产生的途径依据不同气压条件大致可分两种:在气体压力较大时，微波能量主要转化为电子热运动能量，诱发电子和气体分子的碰撞电离;当气体压力较小时，电子与气体分子的碰撞运动可以忽略，此时的微波能量则通过统计加热效应的方式将能量传递给电子。除此之外，当等离子体频率和微波频率相同时，微波能量则可以通过朗道衰减(等离子体中电子速度与电磁波的相速度相等，一部分共振电子由于持续被微波电场进行“直流式”加速，从而夺取波动能量的过程)的方式转化为电子能量。
微波等离子体技术及应用
微波等离子体技术高电离度、放电区域集中及无极放电的特性，在表面刻蚀、材料制备等方面具有显著的应用优势。典型的微波等离子体技术有电子回旋共振微波等离子体、表面波等离子和谐振腔微波等离子体。其中电子回旋共振等离子体为低气压(10－2～10Pa)条件下利用稳定电磁场激励电子产生共振作用，进而持续激励周围气体产生等离子体，其特点是等离子体密度及电离度较高，且装置简单易控;表面波等离子体工作气压条件通常为2～200Pa，其典型特点是微波无法进入等离子体区域内部，只能在沿着等离子体表面传输过程中激发高密度的等离子体;与电子回旋共振微波等离子体所需的稳定磁场不同，谐振腔式微波等离子体的产生是依靠微波在谐振腔内形成的高强变电场直接激励气体产生等离子体，其工作电压范围常维持在几千至几万帕范围。下面介绍微波等离子体技术的应用研究现状。
微波等离子体应用于元素检测
微波等离子体技术应用于元素检测的研究范围较广，微波等离子体发射光谱法以其灵敏度高、线性范围宽、多元素分析和高精确度的特点，在微量元素、痕量元素及重金属元素检测方面呈现较大的应用优势。
微波等离子体应用于材料沉积
微波等离子体化学气相沉积是基于微波在反应区域内激发辉光放电的过程，装置无极放电特点很好地避免了材料沉积过程中电极污染的问题，使得设备运行稳定且沉积薄膜质量较高，备受广大学者关注。
微波等离子体处理废气
微波等离子体应用于有机废气处理是基于微波等离子体高电离度、高反应活性的特点，对污染物分子进行有效的降解，最终达到废气净化的目的。
微波等离子体技术的其他应用
除前述微波等离子体的应用研究外，关于微波等离子体的研究还涉及到等离子体炬装置研发、辅助燃烧及金属表面清洗等方面。
微波放电等离子体作为一种能够在一定气压范围内产生高密度、高活性、高电离度的低温等离子体技术，近年来一直是气体放电领域的研究热点。关于微波等离子体研究主要分为微波等离子体的发生及应用研究两大类。
目前，关于微波等离子技术的应用研究较为广泛的主要有元素检测、薄膜沉积及废气处理，以微波等离子体高效、稳定的技术优势在这些应用领域取得较高的测量精度和较好的处理效果;此外微波等离子体技术还在金属表面清洗、辅助燃烧等方面具有一定的应用价值。微波等离子体技术在不同的应用研究领域均呈现出较大的潜在价值，但在实际工业化应用过程中仍面临着微波源昂贵、运行成本高等问题24430