常压脉冲协同射频辉光等离子体放电过程及其薄膜聚合沉积研究

Atmospheric pressure glow discharge plasmas have shown potential applications in the fields of material, biological and environmental, unfortunately, which is restricted by the contradiction of high plasma density and low gas temperature. The studies on discharge mechanism of atmospheric glow discharge with pulse collaborative RF excitation and polymerization in plasma thin film deposition is proposed in this project. The discharge mechanism and evolution of the discharge structure, especially the sheath structure, will investigated between the high voltage pulsed discharge and pulse modulated radio frequency glow discharge, which helps to explain the improvement on discharge characteristics and stability. In atmospheric PECVD, the travelling of products in gas and solid phase, which are generated by the elementary reaction, will be investigated especially the energy and density of reactive species, the size and evolution of cluster. The dynamics of plasma polymerization by atmospheric glow discharge with pulse collaborative RF excitation will be discussed with the results from numerical simulation, experimental diagnostics and structure of deposited film. It is proposed that a plasma deposition technique with low-temperature and high deposition rate will be developed, which meets the urgent demand of low cost and efficient thin film forming method in the areas of new energy, new materials, environmental and so on.

常压辉光放电产生的等离子体虽然由于其特性在材料、生物和环境等领域体现了良好的应用前景，但存在的提高等离子体密度和降低气体温度的矛盾限制了其应用的拓展。本项目将对常压脉冲放电协同脉冲调制射频放电过程及其薄膜聚合沉积动力学进行研究。主要是研究脉冲调制射频辉光放电及其放电关闭阶段的高压脉冲放电的电离情况及放电结构（鞘层）的演变过程，揭示两种放电相互作用的物理机理及其对放电特性和稳定性的影响；探索常压PECVD中气相和固相产物质量输运及其形成过程中的主要物理化学反应和路径，研究主要活性粒子的能量、密度、团簇大小以及团聚或成核演变过程；结合数值模拟、等离子体实验诊断和薄膜结构，对常压脉冲协同射频放电等离子体聚合沉积动力学进行深入研究。发展一种低温下制备优质薄膜的高速沉积技术，满足新能源、新材料、环境等领域对低成本快速高效环保成膜方法的迫切需求。

本项目对常压脉冲放电协同脉冲调制射频放电过程及其薄膜聚合沉积动力学进行了研究。首先，建立了常压协同放电二维自洽流体数值模型，通过数值模拟研究了氦气常压脉冲射频辉光放电等离子体的放电特性，包括放电中电子、离子及各种亚稳态粒子在放电空间的时空演化过程。分析讨论了等离子体中各种粒子在放电过程的作用，包括种子电子、射频激发频率以及放电空间电离情况对等离子体鞘层结构和放电模式转变的影响，以及对放电稳定性的影响。.其次，设计实验使高压脉冲放电产生的种子电子进入到射频放电空间，研究高压脉冲发生时刻、电极结构对放电性能的影响。测量在不同介质层特性下，研究介质层特性对协同放电稳定性的影响。研究常压脉冲放电对射频等离子体的起辉和熄灭的物理机制，探索两种放电作用的物理机理和放电稳定性控制机理。探讨在不同调制脉冲下，协同放电产生过程各种活性粒子的种类、能量、浓度和寿命，揭示放电的物理机理和放电稳定性控制机理。.最后，研究了基片材料及其表面结构对等离子体薄膜沉积的影响，通过测量3D褶皱结构薄膜特有的颜色光学特性中的光学信号，实现了对成膜过程中薄膜结构的监控，获得了间接调控反应腔中的温度、成膜速率、脊结构、张力等成膜关键因素。发展了一种低温下等离子体处理及反应技术，满足新能源、新材料、环境等领域对低成本快速高效环保成膜方法的迫切需求。