射频微等离子体的特点分析

在之前的文章中，对射频大气压辉光放电已经有所介绍，那么，如果在射频放电中，将放电的间隙进一步缩小到微等离子体尺度内，即为1mm左右，乃至到了几百微米的量级，射频微等离子体又会出现哪一些新的特点呢？接下来我们与大家共同探讨。

如下图所示，是在相同的电流下，射频微等离子体鞘层区与等离子体区的分布比例。在给定电流密度0.06A/cm2，当放电间隙逐渐增加，实验与计算均表明鞘层开始逐渐增加，而当极板间隙增加超过500μm后，鞘层厚度几乎保持在215μm不变。而对于等离子体区的厚度，其从100μm到900μm一直在单调增加。

通过上图我们可知，当放电间隙小于500μm时，放电等离子体由传统的辉光放电结构转化为一种鞘层主导的结构，即鞘层成为放电空间的主要部分。同时，数值模拟还表明，在鞘层主导的放电结构中，整个放电空间失去了电中性，呈现为电正性，如下图所示。

如果想在射频微等离子中继续获得正常的辉光结构，保证放电间隙内的电中性，提高放电频率是一种可行的方法。下图给出了在不同频率下两个周期电子密度的时空分布。图中显示，当频率为13.56MHz时，只有在电极附近才有大量的电子，其密度近似3.06×1011cm-3。

而当频率增加到27.12MHz时，产生的3.15×1011cm-3的电子密度在极板间随着外加电压的改变来回振荡，从一个极板到另一个极板，几乎占据了整个间隙。随着频率进一步增加到54.24MHz，在放电间隙产生的高密度电子，形成一个稳定的中性等离子体区。这些数据表明，随着频率的增加，放电结构发生改变，传统的辉光结构也可以出现。