[科普中国]-等离子体合成-

等离子体合成又称放电合成，是20世纪70年代才迅速发展起来的一种技术手段。它是利用等离子体特殊性质进行化学合成的一种新技术。等离子体是由电子、原子、分子、自由基、光子等粒子组成的集合体，正负带电粒子的数目相等，体系为电中性。等离子体又被称为是物质存在的第四种状态。等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体。

高温等离子体高温等离子体或称为局域平衡等离子体，这种等离子体的特征是电子温度等于离子温度和气体温度，通常由稠密气体在常压下或高气压电弧放电或高频放电产生。高温等离子体由于具有较高的温度，既可作为热源进行高等无机合成高熔点金属的熔炼提纯、难熔金属和陶瓷的熔射喷涂，也可进行各种超高温化学反应，如矿石、化合物的热分解还原、高熔点合金的制备、超高温耐热材料合成等。等离子体与任何反应容器并非直接接触，两者之间会形成一个电中性、被破坏了的薄层，即等离子体鞘，使高温不会直接传导给器壁。同时用电磁场来约束等离子体，加之冷却手段的运用等，易于实现数万摄氏度的高温反应。

低温等离子体低温等离子体又称为非平衡等离子体，通常是低气压下的稀薄气体采用高频、微波、激光、辉光放电或常压气体采用电晕放电所产生，这种等离子体的特征是电子温度远远大于离子温度和气体温度，而且电子温度高达10000K以上，重粒子（离子和中性原子的温度却可以低到300K。非平衡等离子体有着十分重要的实用价值，一方面电子有足够的能量，能使反应分子活化进而引发化学反应，另一方面反应体系又得以保持较低温度。由于整个体系温度取决于分子、离子等重粒子温度。这样一来，尽管电子能量很高，可激活高能量水平的化学反应，而反应器却处于低温，可应用于很多高温材料的低温合成，如单晶的低温生长、半导体器件工艺的低温化等过程。

等离子体产生方法常用的等离子体产生方法主要有以下几种。

1、气体放电法

在电场作用下获得加速动能的带电粒子，特别是电子与气体分子碰撞使气体电离，加之阴极二次电子发射等作用，导致气体被击穿放电形成等离子体。按所加电场不同可分为直流放电、高频放电和微波放电等；若按放电过程特征划分，则可分为电晕放电、辉光放电、电弧放电等。辉光放电等离子体属于低温等离子体，电弧放电等离子体属于高温等离子体。1

2、光电离法和激光辐射电离

光电离法借入射光子能量来使某物质的分子电离，以形成等离子体，条件是光子能量必须大于或等于该物质的第一电离能。激光辐射电离本质上也属于光电离，但其电离机制和所得结果与普通的光电离法不大相同，不仅有单光子电离，还有多光子电离和级联电离机制。就多光子电离而言，是同时吸收许多个光子使物质的原子或分子电离。激光辐射法的另～个特点是易于获得高温高密度等离子体。

3、射线辐照法

用各种射线或粒子束对气体进行辐照也能产生等离子体。例如，用放射性同位素发出的α、β、γ射线，X射线管发出的X射线，经加速器加速的电子束、离子束等。α粒子是氦核He2+，用α射线等离子体相当于荷能离子使气体分子碰撞电离。β射线是一束电子流，它引起的电离相当于高速电子的碰撞电离，而γ射线、X射线可视为光电离。至于离子束和电子束，也都是借助已经加速的荷能粒子使气体分子碰撞电离的。

4、燃烧法

这是一种人们早就熟悉的热致电离法，借助热运动使动能足够的原子、分子间相互碰撞引起电离，产生的等离子体叫火焰等离子体，也称为等离子喷焰或等离子炬。

5、冲击波法

是靠冲击波在试样气体中通过时，试样气体受绝热压缩产生的高温来产生等离子体的，实质上也属于热致电离，称为激波等离子体。

在无机合成中的应用高温等离子体由于温度较高，复杂分子难以存在，因此在无机合成中不能用于低熔点、易挥发、易分解化合物合成。但它是制备超纯、耐高温超细及纳米粉体最有效的方法之一，在制备金属、氧化物、SiC、Si3N4等方面取得成功。该技术也用于试制BN、TiN、WC、TiO2、Sb2O3、MoO3等材料。2

工业上普遍采用的SiO2碳热还原法制备的碳化硅SiC，产品SiC需要进行破碎、磨细、酸洗、干燥、筛分等多道工序，最终也只能得到微米级SiC粉末。而采用直流电弧等离子体法合成β一SiC超细粉末，平均粒径为0.05～0.5μm，产品纯度大于97%；在产品质量、制备成本、制备能力及工业化可行性方面，均具竞争力。

等离子法还可用于制备各类金属催化剂，这些催化剂由不同含量的氧化物Fe3O4、Fe2O3、FeO、Al2O3、K2O、CaO、SiO2和MgO等组成，催化剂前驱体是金属氧化物、氢氧化物、碳酸盐或硝酸盐。根据所制备催化剂不同要求，载气可以是Ar、N2、O或空气，在这种条件下制备的催化剂粒度平均大小为50nm。同传统方法相比，等离子体法制备的催化剂有更紧密的晶格，表现出更好的性质。例如，在氧化铝上通过等离子体溅射沉积技术制备出钙钛矿氧化物LaMOX膜（M是Co、Mn、Ni）；而通过等离子体溅射方法制备的Fe—Co系列催化剂虽然比表面积比常规法要少，但对氢和一氧化碳吸附很强，催化选择性增强。多种催化剂的等离子制备结果表明，同传统催化剂制备方法相比，等离子体技术制备催化剂具有操作简便、工艺流程短、催化剂变化过程直观易控、催化剂活性高、稳定性好、清洁无污染等优点，显示出了广阔的应用前景。

高温等离子体制备金属纳米粒子的特点是速率快、纯度高。例如，氩等离子体作用于金属，使之加热、熔融、蒸发、汽化的金属原子在惰性气体中急冷，凝聚下来，即得到金属纳米离子。目前，已经制备了铁、银、镍、钯、铂等纳米粒子。低温等离子体主要用于各种薄膜材料的制备。

本词条内容贡献者为:

唐浩宇 - 教授 - 湘潭大学