電漿合成又稱放電合成，是20世紀70年代才迅速發展起來的一種技術手段。它是利用電漿特殊性質進行化學合成的一種新技術。電漿是由電子、原子、分子、自由基、光子等粒子組成的集合體，正負帶電粒子的數目相等，體系為電中性。電漿又被稱為是物質存在的第四種狀態。電漿可分為高溫電漿和低溫電漿。
基本介紹
- 中文名：電漿合成
- 外文名：plasma synthesis
- 分類：高溫電漿和低溫電漿合成
- 別稱：放電合成
高溫電漿,低溫電漿,電漿產生方法,在無機合成中的套用,
高溫電漿
高溫電漿或稱為局域平衡電漿，這種電漿的特徵是電子溫度等於離子溫度和氣體溫度，通常由稠密氣體在常壓下或高氣壓電弧放電或高頻放電產生。高溫電漿由於具有較高的溫度，既可作為熱源進行高等無機合成高熔點金屬的熔煉提純、難熔金屬和陶瓷的熔射噴塗，也可進行各種超高溫化學反應，如礦石、化合物的熱分解還原、高熔點合金的製備、超高溫耐熱材料合成等。電漿與任何反應容器並非直接接觸，兩者之間會形成一個電中性、被破壞了的薄層，即電漿鞘，使高溫不會直接傳導給器壁。同時用電磁場來約束電漿，加之冷卻手段的運用等，易於實現數萬攝氏度的高溫反應。
低溫電漿
低溫電漿又稱為非平衡電漿，通常是低氣壓下的稀薄氣體採用高頻、微波、雷射、輝光放電或常壓氣體採用電暈放電所產生，這種電漿的特徵是電子溫度遠遠大於離子溫度和氣體溫度，而且電子溫度高達10000K以上，重粒子（離子和中性原子的溫度卻可以低到300K。非平衡電漿有著十分重要的實用價值，一方面電子有足夠的能量，能使反應分子活化進而引發化學反應，另一方面反應體系又得以保持較低溫度。由於整個體系溫度取決於分子、離子等重粒子溫度。這樣一來，儘管電子能量很高，可激活高能量水平的化學反應，而反應器卻處於低溫，可套用於很多高溫材料的低溫合成，如單晶的低溫生長、半導體器件工藝的低溫化等過程。
電漿產生方法
常用的電漿產生方法主要有以下幾種。
1、氣體放電法
在電場作用下獲得加速動能的帶電粒子，特別是電子與氣體分子碰撞使氣體電離，加之陰極二次電子發射等作用，導致氣體被擊穿放電形成電漿。按所加電場不同可分為直流放電、高頻放電和微波放電等；若按放電過程特徵劃分，則可分為電暈放電、輝光放電、電弧放電等。輝光放電電漿屬於低溫電漿，電弧放電電漿屬於高溫電漿。
2、光電離法和雷射輻射電離
光電離法借入射光子能量來使某物質的分子電離，以形成電漿，條件是光子能量必須大於或等於該物質的第一電離能。雷射輻射電離本質上也屬於光電離，但其電離機制和所得結果與普通的光電離法不大相同，不僅有單光子電離，還有多光子電離和級聯電離機制。就多光子電離而言，是同時吸收許多個光子使物質的原子或分子電離。雷射輻射法的另～個特點是易於獲得高溫高密度電漿。
3、射線輻照法
用各種射線或粒子束對氣體進行輻照也能產生電漿。例如，用放射性同位素髮出的α、β、γ射線，X射線管發出的X射線，經加速器加速的電子束、離子束等。α粒子是氦核He2+，用α射線電漿相當於荷能離子使氣體分子碰撞電離。β射線是一束電子流，它引起的電離相當於高速電子的碰撞電離，而γ射線、X射線可視為光電離。至於離子束和電子束，也都是藉助已經加速的荷能粒子使氣體分子碰撞電離的。
4、燃燒法
這是一種人們早就熟悉的熱致電離法，藉助熱運動使動能足夠的原子、分子間相互碰撞引起電離，產生的電漿叫火焰電漿，也稱為等離子噴焰或等離子炬。
5、衝擊波法
是靠衝擊波在試樣氣體中通過時，試樣氣體受絕熱壓縮產生的高溫來產生電漿的，實質上也屬於熱致電離，稱為激波電漿。
在無機合成中的套用
高溫電漿由於溫度較高，複雜分子難以存在，因此在無機合成中不能用於低熔點、易揮發、易分解化合物合成。但它是製備超純、耐高溫超細及納米粉體最有效的方法之一，在製備金屬、氧化物、SiC、Si3N4等方面取得成功。該技術也用於試製BN、TiN、WC、TiO2、Sb2O3、MoO3等材料。
工業上普遍採用的SiO2碳熱還原法製備的碳化矽SiC，產品SiC需要進行破碎、磨細、酸洗、乾燥、篩分等多道工序，最終也只能得到微米級SiC粉末。而採用直流電弧電漿法合成β一SiC超細粉末，平均粒徑為0.05～0.5μm，產品純度大於97%；在產品質量、製備成本、製備能力及工業化可行性方面，均具競爭力。
等離子法還可用於製備各類金屬催化劑，這些催化劑由不同含量的氧化物Fe3O4、Fe2O3、FeO、Al2O3、K2O、CaO、SiO2和MgO等組成，催化劑前驅體是金屬氧化物、氫氧化物、碳酸鹽或硝酸鹽。根據所製備催化劑不同要求，載氣可以是Ar、N2、O或空氣，在這種條件下製備的催化劑粒度平均大小為50nm。同傳統方法相比，電漿法製備的催化劑有更緊密的晶格，表現出更好的性質。例如，在氧化鋁上通過電漿濺射沉積技術製備出鈣鈦礦氧化物LaMOX膜（M是Co、Mn、Ni）；而通過電漿濺射方法製備的Fe—Co系列催化劑雖然比表面積比常規法要少，但對氫和一氧化碳吸附很強，催化選擇性增強。多種催化劑的等離子製備結果表明，同傳統催化劑製備方法相比，電漿技術製備催化劑具有操作簡便、工藝流程短、催化劑變化過程直觀易控、催化劑活性高、穩定性好、清潔無污染等優點，顯示出了廣闊的套用前景。
高溫電漿製備金屬納米粒子的特點是速率快、純度高。例如，氬電漿作用於金屬，使之加熱、熔融、蒸發、汽化的金屬原子在惰性氣體中急冷，凝聚下來，即得到金屬納米離子。目前，已經製備了鐵、銀、鎳、鈀、鉑等納米粒子。低溫電漿主要用於各種薄膜材料的製備。
