大气压等离子体微射流及其阵列的放电特性研究

发布时间：2020-08-13 00:47

【摘要】：大气压等离子体微射流是特征尺度在1mm以下、在常压和开放空间中以射流形式产生的微等离子体,它除了具有常规尺寸(数mm～数cm)大气压等离子体射流的活性粒子密度高、温度低、结构简单、操作方便、可对三维复杂样品进行处理等优点外,由于等离子体被限制在更小的区域,可以直接对样品中微小区域进行处理,或对单个细胞进行处理,因此其在微机电系统(MEMS)和生物医学等领域中有巨大的应用潜力。但单根微射流处理效率低,采用多个微射流组成的微射流阵列可以大大提高处理效率。为了能理解微射流及其阵列的产生机理,并通过优化装置和工作参数的调控,使其具有更好的处理效果,因此对于微射流及其阵列的放电特性研究尤为重要。但目前的研究主要集中在常规尺寸的大气压等离子体射流及其阵列,微射流及微射流阵列的放电特性研究却非常少。基于以上研究背景,本文以本课题组提出的大气压等离子体微射流及阵列产生装置为基础,研究不同放电参数对微射流和微射流阵列放电特性的影响,为之后的具体应用提供重要的指导与帮助。论文的主要内容如下:选用COMSOL仿真软件对微射流产生装置进行有限元分析仿真,研究分析不同放电参数对于等离子体微射流的影响。并结合实际情况,优化大气压等离子体微射流产生装置,为后续实验开展提供了优良的基础。采用高速纹影摄影装置对等离子体微射流和微射流阵列进行流场分析。分析放电电压对于微射流的流场特性的影响;分析气体流速和激励电压对微射流阵列的空间均匀性的影响。利用微射流和微射流阵列对光刻胶进行刻蚀实验,研究氧气含量、电压幅值、样品间距等不同的放电参数和工作条件对于刻蚀孔的大小、深度、形貌和表面质量的影响,为微射流及其阵列的实际应用打下基础。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O53;O461.2
【图文】：

微等离子体,激发时间,电极结构,尺度

微等离子体通常是指在所存在的空间中，至少在某一个维度上的尺寸小于逡逑１ｍｍ的等离子体％该尺寸即为微等离子体的特征尺寸。Ｂｒａｎｄｅｎｂｕｒｇ等人将微逡逑等离子体按照激励电源的时间尺度和放电结构的不同进行划分［７］，如图１．３所示。逡逑由此可知，以射流形式呈现的微等离子体在直流、交流、射频与微波等多种不同逡逑电源激励下均可以顺利产生。结合上述微等离子体的定义可以得知，特征尺寸在逡逑１ｍｍ之下的大气压等离子体射流即为大气压低温等离子体微射流。逡逑相较于常规尺寸的大气压低温等离子体射流而言，大气压等离子体微射流不逡逑但具有无需真空设备辅助，可在大气压环境下产生接近室温、蕴含丰富的化学活逡逑性粒子的等离子体，并可直接处理样品的优势，还因其较小的特征尺寸，等离子逡逑体往往被约束在狭小的区域之内，致使产生的微射流具有更为丰富的活性基团和逡逑更好的热稳定性能。逡逑Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ逡逑（Ｈｒ｝邋１１０ｓ逦１１０ｓ逦｜邋Ｗ逦｜邋１０＊逦＾逡逑ＤＣ逦ＡＣ逦ＲＦ逦ＭＷ逡逑Ｍｃｒｏｇａｐｄ＾ｃｈａｒｇｅｓ邋逦＂Ｊ：二客逡逑Ｐｌａｓｍａ邋ｊｅｔ邋Ｏ逡逑逦邋逦逦逦逦邋■■■■■■—＿？？丨逦■■■■■■■邋逦逦逡逑ＣＢｔ．邋ＭＨＣＤ

微射流,低温等离子体,大气压,刻蚀

大气压低温等离子体微射流是近些年等离子体科研领域的热门课题之一。因逡逑其富含大量活性粒子、无需真空设备辅助、等离子体温度接近室温、成本低廉等逡逑众多优势，研究人员早己将其成功应用在材料处理与生物医学等领域之中。逡逑（１）材料处理逡逑大气压低温等离子体微射流在材料处理中的应用主要包括：材料刻蚀［８＿９］、逡逑材料表面改性［１（Ｍ１］以及薄膜沉积［１２＿１３］等。材料刻蚀是利用等离子体中蕴含的高能逡逑粒子对目标物体进行轰击并诱导化学反应，通过气流将生成物带走从而实现材料逡逑去除的目的。图１．４展示的华中科技大学于尧课题组利用大气压低温等离子体微逡逑射流对碳纳米管薄膜进行无掩膜图案化刻蚀，并利用刻蚀后的材料制作超级电容。逡逑材料表面改性即是通过等离子体微射流中的活性成分改变材料表面化学成分或逡逑组织结构，以改善材料的亲／疏水性，粘附性等性能。图１．５为大连理工大学刘逡逑新教授课题组使用大气压等离子体微射流在超疏水铝表面制作超亲水图案。材料逡逑沉积则是通过等离子体将相关材料在材料表面进行堆积，达到沉积的效果。图１．６逡逑展示的是兰州大学Ｓｈｉｒａｉ等人使用等离子体微射流在样品表面沉积低介质常数逡逑的ＳｉＯＣ薄膜。逡逑

微射流,低温等离子体,大气压,表面改性

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