氢等离子体原子、分子过程研究

2015-06-16 03:20梁娟徐伟吴智量郭宏运宁俭吕金锦
科技与创新 2015年11期

梁娟 徐伟 吴智量 郭宏运 宁俭 吕金锦

摘 要:在微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置中,氢气作为镀膜工艺中重要的参与气体,对镀膜工艺有直接的影响。在微波放电等离子体发生装置中激发氢等离子体,使用高分辨率的多道光谱分析仪实时采集Hα谱线,对谱线的线型分布进行微分,得出谱线的能量分布,进一步分析氢原子在等离子体中经历的分子过程。结果显示,氢原子的能量分布有3个明显的能量峰,分别在0.3 eV处、2.5 eV处和3 eV处。其中,0.3 eV处的峰比较强,表明在微波放电等离子体条件下,氢原子发生的分子过程主要是离解激发。

关键词:氢等离子体;离解激发;线型分析;分子过程

中图分类号:O561.4 文献标识码:A DOI:10.15913/j.cnki.kjycx.2015.11.071

等离子体作为一种由大量微观粒子组成的热力学体系,热运动和电磁作用过程共存,描述其性质的参量具有一定的复杂性。氢气作为微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)制备各种功能薄膜材料的重要参与气体,研究氢气的等离子体过程和各种参量显得尤为重要。

1 实验装置

利用实验室配备的DH2004多功能微波等离子体发生装置,通过真空泵将反应腔抽真空至30 Pa,通入气体流量为150 mL/min的氢气,微波源发出2.45 GHz的微波沿BJ22矩形导管以TE10模式传输,到达微波谐振腔后激励气体放电,形成轴对称等离子体球。利用光纤将产生的稳定等离子体球的发射光谱采集到多道光谱仪。实验采用的多道光谱仪为美国Andor-ixon公司的多道光谱仪,光栅数为1 200 l/mm,CCD尺寸为1024×256像素,波长范围为190~1 000 nm,分辨率为0.05 nm。

2 光谱线型分析

氢分子与电子发生碰撞,产生离解或电离,不同动能的电子与氢分子碰撞会产生不同的产物,同样,不同的离解或电离过程中所产生的氢原子具有的动能也不同。另外,在氢原子与电子的碰撞激发过程中,动能几乎不变,因此,只要得到氢原子的能量分布,就能推出氢原子的分子过程。

由于处于n=3的激发态原子自发跃迁到n=2能级所发射的Hα谱线,其寿命是微秒量级,所以,氢原子本身的辐射空间是均匀的。

现设探测空间中某体积元dτ内的中性氢原子密度为n0,则速度在v+dv范围内的粒子数为:

n(v)=n0f(v)dv. (1)

式(1)中:f(v)为速度分布函数。

因此,在速度方向上,该体积元发射偏离中心波长△λ=vλ0/c的Hα谱线的概率为:

. (2)

式(2)中:ne为该体积元内的电子密度;B为谱线分支比。

那么,多道光谱仪采集到的氢等离子体发射的谱线强度分布为:

. (3)

式(3)中:dτ为探测空间体积分。

因为式(3)中:

. (4)

而式(4)中:

. (5)

所以,将式(4)和式(5)代入式(3)中,得:

. (6)

由此可以认为,每电离一个氢原子所辐射的Hα光子数近似恒量,因此,式(6)可以改写为:

. (7)

式(7)中: .

由此即可变换得出能量分布与谱线的关系,即:

. (8)

从式(8)中可以看出,多普勒展宽对线型分布的影响不大。因此,Hα谱线的分布实际上就是观察方向上中性氢原子速度分布的线积分的结果,中性氢原子的能量分布可以直接利用谱线求梯度得到。

3 实验结果

实验采集到的Hα谱线线型分布主要是由仪器函数、观察方向、光源的空间分布、等离子体的分布和原子、分子过程共同决定的。该实验中使用的多道光谱仪的仪器函数是由GY-100型的He-Ne激光器测得,可以用去卷积的方法从Hα线型仪器函数中扣除。

如图1所示,从能量分布图中可以看出,在0.3 eV处有一个非常明确而且比较强的峰,在大概2.5 eV和3 eV处,各有一个相对比较弱的峰。

R.K.Janev列出了氢分子与电子可能发生的十几种分子过程,并且从理论上计算了这些过程中电子的平均能量损失,以及产生的氢原子或离子的平均动能、氢分子与电子直接碰撞离解并能产生中性氢原子的过程有:

对应的电子损失动能分别为10.5 eV、15.3 eV、34.6 eV和21.5 eV,而中性氢原子获得的平均动能分别为3 eV、0.3 eV、4.85 eV和2.5 eV。以上过程都是氢分子与电子发生碰撞激发到分子态H2(x),接着直接离解。

因此,在微波放电等离子体条件下,等离子体中发生的分子过程主要是式(9)、式(10)和式(12),即主要是离解激发。氢分子通过与高能电子的碰撞先被激发到激发分子态,进而直接离解成激发态原子和基态原子。

4 总结

在多普勒效应占绝对优势的前提下,由Hα谱线线型分布可以直接得出氢原子的能量分布,由能量分布特征峰就可以知道氢原子在等离子体中的分子过程。而在微波放电等离子体条件下,氢原子发生的分子过程主要是离解激发。

参考文献

[1]徐伟,万宝年.氢原子能量分布和分子过程[J].原子与分子物理学报,1999,16(2):141-146.

[2]郑晓毅.MPCVD装置中等离子体发射光谱研究[D].广州:广州大学,2012.

〔编辑:白洁〕