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.