等離子體合成

高温等離子體或稱為局域平衡等離子體，這種等離子體的特徵是電子温度等於離子温度和氣體温度，通常由稠密氣體在常壓下或高氣壓電弧放電或高頻放電產生。高温等離子體由於具有較高的温度，既可作為熱源進行高等無機合成高熔點金屬的熔鍊提純、難熔金屬和陶瓷的熔射噴塗，也可進行各種超高温化學反應，如礦石、化合物的熱分解還原、高熔點合金的製備、超高温耐熱材料合成等。等離子體與任何反應容器並非直接接觸，兩者之間會形成一個電中性、被破壞了的薄層，即等離子體鞘，使高温不會直接傳導給器壁。同時用電磁場來約束等離子體，加之冷卻手段的運用等，易於實現數萬攝氏度的高温反應。

低温等離子體又稱為非平衡等離子體，通常是低氣壓下的稀薄氣體採用高頻、微波、激光、輝光放電或常壓氣體採用電暈放電所產生，這種等離子體的特徵是電子温度遠遠大於離子温度和氣體温度，而且電子温度高達10000K以上，重粒子（離子和中性原子的温度卻可以低到300K。非平衡等離子體有着十分重要的實用價值，一方面電子有足夠的能量，能使反應分子活化進而引發化學反應，另一方面反應體系又得以保持較低温度。由於整個體系温度取決於分子、離子等重粒子温度。這樣一來，儘管電子能量很高，可激活高能量水平的化學反應，而反應器卻處於低温，可應用於很多高温材料的低温合成，如單晶的低温生長、半導體器件工藝的低温化等過程。

常用的等離子體產生方法主要有以下幾種。

1、氣體放電法

在電場作用下獲得加速動能的帶電粒子，特別是電子與氣體分子碰撞使氣體電離，加之陰極二次電子發射等作用，導致氣體被擊穿放電形成等離子體。按所加電場不同可分為直流放電、高頻放電和微波放電等；若按放電過程特徵劃分，則可分為電暈放電、輝光放電、電弧放電等。輝光放電等離子體屬於低温等離子體，電弧放電等離子體屬於高温等離子體。 ^[1] 

2、光電離法和激光輻射電離

光電離法借入射光子能量來使某物質的分子電離，以形成等離子體，條件是光子能量必須大於或等於該物質的第一電離能。激光輻射電離本質上也屬於光電離，但其電離機制和所得結果與普通的光電離法不大相同，不僅有單光子電離，還有多光子電離和級聯電離機制。就多光子電離而言，是同時吸收許多個光子使物質的原子或分子電離。激光輻射法的另～個特點是易於獲得高温高密度等離子體。

3、射線輻照法

用各種射線或粒子束對氣體進行輻照也能產生等離子體。例如，用放射性同位素發出的α、β、γ射線，X射線管發出的X射線，經加速器加速的電子束、離子束等。α粒子是氦核He²⁺，用α射線等離子體相當於荷能離子使氣體分子碰撞電離。β射線是一束電子流，它引起的電離相當於高速電子的碰撞電離，而γ射線、X射線可視為光電離。至於離子束和電子束，也都是藉助已經加速的荷能粒子使氣體分子碰撞電離的。

4、燃燒法

這是一種人們早就熟悉的熱致電離法，藉助熱運動使動能足夠的原子、分子間相互碰撞引起電離，產生的等離子體叫火焰等離子體，也稱為等離子噴焰或等離子炬。

5、衝擊波法

是靠衝擊波在試樣氣體中通過時，試樣氣體受絕熱壓縮產生的高温來產生等離子體的，實質上也屬於熱致電離，稱為激波等離子體。

高温等離子體由於温度較高，複雜分子難以存在，因此在無機合成中不能用於低熔點、易揮發、易分解化合物合成。但它是製備超純、耐高温超細及納米粉體最有效的方法之一，在製備金屬、氧化物、SiC、Si₃N₄等方面取得成功。該技術也用於試製BN、TiN、WC、TiO2、Sb₂O3、MoO3等材料。 ^[2] 

工業上普遍採用的SiO2碳熱還原法製備的碳化硅SiC，產品SiC需要進行破碎、磨細、酸洗、乾燥、篩分等多道工序，最終也只能得到微米級SiC粉末。而採用直流電弧等離子體法合成β一SiC超細粉末，平均粒徑為0.05～0.5μm，產品純度大於97%；在產品質量、製備成本、製備能力及工業化可行性方面，均具競爭力。

等離子法還可用於製備各類金屬催化劑，這些催化劑由不同含量的氧化物Fe₃O₄、Fe₂O₃、FeO、Al₂O₃、K₂O、CaO、SiO₂和MgO等組成，催化劑前驅體是金屬氧化物、氫氧化物、碳酸鹽或硝酸鹽。根據所製備催化劑不同要求，載氣可以是Ar、N₂、O或空氣，在這種條件下製備的催化劑粒度平均大小為50nm。同傳統方法相比，等離子體法制備的催化劑有更緊密的晶格，表現出更好的性質。例如，在氧化鋁上通過等離子體濺射沉積技術製備出鈣鈦礦氧化物LaMOX膜（M是Co、Mn、Ni）；而通過等離子體濺射方法制備的Fe—Co系列催化劑雖然比表面積比常規法要少，但對氫和一氧化碳吸附很強，催化選擇性增強。多種催化劑的等離子製備結果表明，同傳統催化劑製備方法相比，等離子體技術製備催化劑具有操作簡便、工藝流程短、催化劑變化過程直觀易控、催化劑活性高、穩定性好、清潔無污染等優點，顯示出了廣闊的應用前景。

高温等離子體制備金屬納米粒子的特點是速率快、純度高。例如，氬等離子體作用於金屬，使之加熱、熔融、蒸發、汽化的金屬原子在惰性氣體中急冷，凝聚下來，即得到金屬納米離子。已經制備了鐵、銀、鎳、鈀、鉑等納米粒子。低温等離子體主要用於各種薄膜材料的製備。