等离子体化学催化

只有当分子的能量超过活化能时,才能发生化学反应。在传统化学中,这种能量是通过分子与分子或分子与壁面之间的碰撞进行传递的。在等离子体中,一方面,振动能可以通过循序渐进的方式逐渐增加到最低反应能量;另一方面,电子与分子的碰撞能传递更多的能量,从而将中性分子变成多种活性组分或将中型粒子电离,新组分主要包括超活性中性粒子、阳离子和阴离子。在常规化学反应不能产生大量新组分的情况下,等离子体成了一种功能非常强大的化学手段,担负起了催化剂角色。一般情况下,温度较低的反应或者给定温度下速率加快的反应都是受到了等离子体的影响。

然而,在能量范围分布广泛的等离子体中,电子的激发或电离是没有选择性的。在一个等离子体系统中,大量各种各样的活性粒子会引发很多反应,而且在反应过程中,几乎不可能控制特别重要的、具有决定意义的粒子。

等离子体环境中,高能粒子可以将分子的共价键打断。在电子能量分布函数尾部的高能电子和非平衡等离子体中强局域电场的参与下,很可能实现新的化学反应。

等离子体环境对许多化学反应都有利。特定反应能否发生主要由输入的工艺参数决定,如气体种类、流速、压强、输入功率等。边界和基底之间也会发生多种反应。烧蚀和沉积的相对速率决定了相关的表面处理。当采用有机蒸汽作为工作气体时,就会发生等离子体聚合和沉积。在刻蚀和沉积过程中,材料表面与等离子体中原始的或新生产的组分发生反应,这意味着表面条件,如污染物、阻聚剂、阻档层、气体吸附等非常重要,会对过程动力及沉积的薄膜特性产生影响。

分子在等离子体中解离后变成高活性组分,然后这些活性组分再与有机化合物发生反应。氢原子既可以连接到双键上,也可以从其他分子中抽离原子。在氧等离子体中,电离和解离能形成多种组分。另外,还可以形成如O2(1△g)等亚稳态的组分。氧原子的主要反应是增加双键以及CH键转化成羟基或羧基。氮原子可以与饱和或不饱和的分子发生反应。

等离子体化学中一个有趣的发展方向是将原始的简单分子合成复杂的分子结构。典型的反应包括:异构化、消除原子或小的基团、二聚/聚合以及破坏原始材料等,例如甲烷、水、氮和氧等气体混合经过辉光放电,最终会得到生命的起源物质——氨基酸。等离子体中存在顺反异构化、成环或开环反应。除了单分子反应,还可以发生双分子反应。

 

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