中國(guó)粉體網(wǎng)訊  納米材料優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)和熱學(xué)等性能，使其作為一種新型材料被廣泛應(yīng)用于電子、生物工程、醫(yī)學(xué)、化工及航天等領(lǐng)域，被認(rèn)為是二十一世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿η覍?duì)未來(lái)發(fā)展有著巨大影響的產(chǎn)業(yè)。而作為納米材料科學(xué)重要組成部分的納米材料合成技術(shù)在過去幾十年里也因此得到了迅速的發(fā)展。

納米材料合成技術(shù)—等離子體技術(shù)

納米材料制備方法可根據(jù)反應(yīng)物的相態(tài)簡(jiǎn)單的分為“氣相合成法”、“液相合成法”和“固相合成法”。

納米材料制備方法分類

固相合成法主要應(yīng)用于陶瓷和金屬氧化物等納米粉末材料的制備。液相合成法主要應(yīng)用于氧化物系超微粉末的制備。氣相合成法主要有物理氣相反應(yīng)法和化學(xué)氣相反應(yīng)法兩種，其中物理氣相反應(yīng)法可用于制備各種金屬、化合物、陶瓷、半導(dǎo)體、和聚合物等薄膜材料。而化學(xué)氣相合成法即化學(xué)氣相沉積，具有氣壓范圍寬（10Pa~5×105Pa）、納米材料生長(zhǎng)可控性強(qiáng)、可合成多種形態(tài)的納米材料以及適用于不同種類納米材料合成等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于新材料研制、無(wú)機(jī)薄膜材料制備和物質(zhì)提純等，是當(dāng)前材料領(lǐng)域制備高品質(zhì)高性能納米材料應(yīng)用最廣泛的納米材料合成方法。

自化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，CVD）出現(xiàn)以來(lái)，科學(xué)界從來(lái)沒有停止對(duì)它的改進(jìn)。為了克服傳統(tǒng)的熱化學(xué)氣相沉積技術(shù)納米材料生長(zhǎng)速度較慢的問題，熱絲化學(xué)氣相沉積、激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積和等離子體輔助化學(xué)氣相沉積（Plasma Enhanced CVD，PECVD）等技術(shù)被相繼開發(fā)出來(lái)。其中，PECVD以沉積溫度低、速度快、材料附著性強(qiáng)、臺(tái)階覆蓋性強(qiáng)和材料缺陷少等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。

等離子體分類

等離子體是由大量帶電粒子組成的非束縛態(tài)的宏觀體系，被認(rèn)為是固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之后的物質(zhì)第四態(tài)。等離子體處理技術(shù)的實(shí)質(zhì)是氣體分子電離產(chǎn)生的高能量自由基與材料表面發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，從而改變材料的物理化學(xué)性質(zhì)。

根據(jù)等離子體中電子溫度的不同，可將等離子體分為高溫等離子體和低溫等離子體。而根據(jù)低溫等離子體熱力學(xué)平衡狀態(tài)的不同，又可將其分為熱等離子體和冷等離子體。

等離子體分類

熱等離子體具有高溫、髙焓和高化學(xué)活性的物理化學(xué)特性。在工業(yè)領(lǐng)域中熱等離子體最常用的產(chǎn)生方法主要有：直流電弧、高頻耦合等離子體和微波等離子體。

數(shù)百帕以下的低氣壓等離子體常常處于非熱平衡狀態(tài)。若電子、離子、中性粒子的溫度被命名為Te、Ti和Tn。此時(shí)，電子在與離子和中性粒子的碰撞過程中幾乎不損失能量，所以有Te>>Ti,Te>>Tn。人們把這樣的等離子體稱為冷等離子體(ColdPlasma)。當(dāng)然，即使是在高氣壓下，冷等離子體也可以通過不產(chǎn)生熱效應(yīng)的短脈沖放電模式如射頻等離子體(Radio Frequency Plasma)、電暈放電(Corona Discharge)、介質(zhì)阻擋放電(Dielectric Barrier Discharge，DBD)和滑動(dòng)電弧放電(Glide Arc Discharge)來(lái)生成。

冷等離子體分類示意圖

等離子體技術(shù)的應(yīng)用

等離子體技術(shù)是一種重要的加工處理技術(shù)，在多個(gè)領(lǐng)域均有重要應(yīng)用，并逐漸發(fā)展成為微電子、半導(dǎo)體、材料、航天、冶金等產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，在生物、醫(yī)藥、臨床和環(huán)境等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。

在材料領(lǐng)域，等離子體技術(shù)可用于無(wú)機(jī)納米材料、碳基材料（如石墨烯、碳納米管等）及耐熱、耐磨、耐腐蝕涂層的制備和改性。如液相等離子體法可在溶液中放電產(chǎn)生大量高能活性粒子、自由基和各種物理效應(yīng)(電、熱、沖擊波、輻射等)，多效協(xié)同地促進(jìn)了合成反應(yīng)，為高效能、高品質(zhì)合成碳納米材料提供了可能的途徑。

放電等離子體(液相)法制備碳納米材料

此外，等離子體領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展分支是微等離子體，指至少在一個(gè)維度上被限制在亞毫米尺度內(nèi)的特殊放電。由于極小的電極間距和極大的比表面積，微等離子體不僅兼具常規(guī)等離子體的準(zhǔn)電中性、復(fù)雜的集體效應(yīng)等特征，同時(shí)還具有體積小、活性粒子密度高、易集成、能在常壓/高壓下穩(wěn)定運(yùn)行等優(yōu)勢(shì)，在碳材料、硅材料、金屬納米材料，氧化物、氮化物、碳化物等無(wú)機(jī)納米材料等領(lǐng)域都表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

再者，等離子體技術(shù)也被越來(lái)越多地應(yīng)用于電池材料中，展現(xiàn)出極大的應(yīng)用潛力。等離子體技術(shù)在鋰離子電池材料的表面處理中，不僅可通過輔助沉積的方式在材料表面形成包覆層，還可通過刻蝕、摻雜等方式調(diào)節(jié)材料表面的極性、粗糙度等，也可通過產(chǎn)生自由基的方式在表面引入多種官能團(tuán)。

通過等離子體技術(shù)的不斷革新，相信未來(lái)等離子體技術(shù)將在不同反應(yīng)性能金屬及金屬氧化物納米顆粒制備、具有混合相和異質(zhì)結(jié)構(gòu)特征材料制備、以及硫化氫、氮化物、磷化物、合金及多金屬催化劑制備等方面都將有新的突破；另外，在制備多孔聚合物、生物分子、納米沸石等各種熱敏底物材料，帶有金屬底物及核殼結(jié)構(gòu)的納米催化劑等方面將會(huì)顯現(xiàn)出更大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并將廣泛應(yīng)用于涂層、摻雜以及各種材料的表面改性處理等領(lǐng)域。

參考資料：

張婧.等離子體技術(shù)在材料領(lǐng)域中的應(yīng)用研究進(jìn)展

李大帥.常壓微波等離子體納米材料合成關(guān)鍵技術(shù)研究

李元等.液相等離子體技術(shù)制備碳納米材料的進(jìn)展與趨勢(shì)

李煊赫等.微等離子體合成納米材料的研究進(jìn)展

劉吉宇等.低溫等離子體輔助加工綜述

石穎等.低溫等離子體在鋰離子電池材料中的應(yīng)用

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/黑金）

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