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离子体增强化学气相沉积技术基础 1.1 等离子体概论 1.1.1 等离子体的基本概念和性质 近代科学研究的结果表明，物质除了具有固态、液态和气态的这三种早 为人们熟悉的形态之外，在一定的条件下，还可能具有更高能量的第四种形态 —— 离子体状态。例如通过加热、放电 手段，使气体分子离解和电离，当 电离产生的带电粒子密度达到一定的数值 ，物质的状态将发生新的变化，这 的电离气体已经不再是原来的普通气体了。由于这种电离气体不管是部分电 离还是完全电离，其中的正电荷总数始终和负电荷总数在数值上是相等的，于 是人们将这种由电子、离子、原子、分子或者自由基团等粒子组成的电离气体 [ 1] 称之为 离子体 。 不管在组成上还是在性质上，等离子体不同于普通的气体。普通气体由 电中性的分子或原子组成，而 离子体则是带电粒子和中性粒子的集合体。 离子体和普通气体在性质上更是存在本质的区别，首先，等离子体是一种导电 流体，但是又能在与气体体积相比拟的宏观尺度内维持电中性；其次，气体分 子间不存在净电磁力，而 离子体中的带电粒子之间存在库仑力；再者，作为 一个带电粒子体系， 离子体的运动行为会受到电磁场的影响和支配。因此， 等离子体是完全不同于普通气体的一种新的物质聚集态。 应当指出，并非任何的电离气体都是 离子体。众所周知，只要 对温 度不为零，任何气体中总存在有少量的分子和原子电离。严格地说来，只有当 带电粒子地密度足够大，能够达到其建立的空间电荷足以限制其自身运动 ， 带电粒子才会对体系性质产生显著的影响，换言之，这样密度的电离气体才能 够转变成等离子体。除此之外， 离子体的存在还有其特征的空间和时间限度， 如果电离气体的空间尺度 L 不满足 离子体存在的空间条件 LD （德拜长 度D 为 离子体宏观空间尺度的下限）的空间限制条件，或者电离气体的存 在的时间 不满足p （等离子体的振荡周期p 为等离子体存在的 间尺度 [2] 的下限）时间限制条件，这样的电离气体都不能算作等离子体 。 1.1.2 等离子体的特性参数描述 10 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 等离子体的状态主要取决于它的组成粒子、粒子密度和粒子温度，其中粒 [3] 子密度和温度是描述 离子体特性的最重要的基本参量 。 1）粒子密度和电离度 如前所述，组成 离子体的基本成份是电子、离子和中性粒子。通常分别 用 n 、n 和 n 来表示 离子体内的电子密度、粒子密度和未电离的中性粒子 e i g 密度，而当n ＝n ，则可用n 来表示二者中任一个带电粒子的密度，简称为 e i 等离子体密度。然而，一般 离子体中可能含有不同价态的离子，也可能含有 不同种类的中性粒子，因此电子密度与粒子密度不一定总是相等的。对于主要 是一阶电离和含有同一类中性粒子的等离子体，可以认为n ≈n 。对于这种情