[发明专利]一种表面耦合诱导电离技术及其对应的等离子体与等离子体器件

说明书

本发明公开了一种表面耦合诱导电离技术，包含以下任意一个步骤：(1)通过自由空间或波导将第一束电磁波馈入至材料上，励激起表面等离子体波；材料表面引入待电离的目标分子，通过控制相互作用，使目标分子的电子与材料上的表面等离子体激元发生耦合，诱导目标分子电离；(2)同步通过自由空间或波导，再将第二束及后续的电磁波馈入至材料表面上目标分子的电离区域，使电离后的目标分子吸收，提高目标分子的电离程度；(3)目标分子以体相等离子体的形式释放，实现表面耦合诱导电离。本发明还公开了一类等离子体器件。

技术领域

本发明涉及材料科学与电子器件领域，特别是涉及等离子体与电离。此外，本发明还涉及一系列涉及上述等离子体的等离子体器件。

背景技术

等离子体(Plasma)，即气态的分子在外场或热作用下，进一步电离后形成的物态。在生活有许多常见的等离子体，包括在燃烧环境下的高温火焰、高压放电击穿空气时形成的电弧与街头巷尾五颜六色的霓虹灯。使气态分子转化为等离子体的技术，即电离技术(Ionization)，在三废处理，橡胶回收，材料合成与材料表面修饰，检测分析等各个领域被广泛应用。

不同形式的等离子体的电离条件各有不同，但最为常见的还是负压或真空下形成的等离子体。真空或负压下的典型电离方式之一，即为辉光放电。辉光放电正是在各类气体的管道中抽到一定的负压(一般低于10mbar)，再通过两个平板电极向真空管中放电，使气体发生电离，形成辉光等离子体。如通过高频的射流代替直流，则可以进一步获得基于平板电极间电容耦合的射频等离子体。传统负压或真空下的等离子体还包括电晕放电、电弧击穿放电、介质阻挡放电等。但大多数都需要负压环境运行。

真空或负压环境往往限制了等离子体的应用，因此大量的研究着手于实现常压环境下的电离。常见的常压电离技术包括电子轰击电离，射频电离，电弧电离，电感耦合电离，电喷雾电离，激光诱导电离等。其中，足够形成常压等离子体的主流方法，主要是电弧电离与电感耦合电离这两种方法。这两种方法实现的常压等离子体被广泛的在各个领域中开展了应用，包括垃圾处理、材料冶炼、表面镀膜与仪器分析等，并且在一些具体的应用上硕果颇丰。比如说，电弧等离子体炬已经被用作复杂成分垃圾处理最有效的一把利器，而电感耦合等离子体炬(ICP)结合光谱分析的ICP-OES或后接质谱系统的ICP-MS，更是目前用于检测各类元素含量的最为常见的关键仪器，其检出限可下达ppb乃至ppt级。对于常压等离子体而言，其应用有哪些可能，取决于等离子体的电子温度与离子温度的可调范围，更直接的说，取决于等离子体中的能量密度的可调范围；其应用有多大价值，则取决于形成等离子体时的馈能效率。

对于常压等离子体的商业应用而言，最大的问题就是馈能效率过低。比如说，对于电弧等离子体而言，一旦电弧形成，电极两端的电压就会快速下降，从而导致等离子体中的能量密度随即下降。而对于电感耦合等离子体而言，始终需要火花点火形成初始的气体电离部分，才能通过交流线圈中建立的交变磁场耦合将能量馈入至电离气体进一步形成火炬，这使得等离子体自身的阻抗特性变成了对耦合效率直接影响的对象。

综上所述，本领域一直需求一种新的电离技术，能够实现更高馈能效率，更宽的电子温度与离子温度的可调温度范围，更高的能量密度的常压等离子体，从而加深对既有应用领域的挖掘，并进一步拓广等离子体的其他应用。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种性能优越的表面耦合诱导电离技术，及其对应的等离子体，以及等离子体器件。

一方面，本发明提供了一种表面耦合诱导电离的技术方法，包括：