论文总字数：27841字

摘 要

微等离子体 (Microplasma) 是在较小的空间尺度内产生、约束并维持的实验室等离子体，其放电尺度的量级通常在 1 毫米以下，和常规等离子体相比有许多相同之处。微放电(Microdischarge) 是在较小的空间尺度内发生气体击穿从而产生微等离子体的过程，由于放电尺度的缩小，其具有独特的性质和优点。微放电最大的优点是它能够在大气压和很高的功率密度 (~100 kW/cm³) 下产生稳定的高密度 (＞10²²m^-3) 非平衡等离子体。所以它在很多领域都有应用，例如生物医学，离子风机，传感器，化学合成，材料制备等。本文主要采用一维粒子蒙特卡洛碰撞模型 (Particle-In-Cell /Monte Carlo Collision, PIC/MCC)，结合场致发射，热电子发射等表面过程的模型，对场致发射和热发射维持的微放电中微等离子体的性质展开研究。阐明了该类型微等离子体的动力学特性，揭示了该类型微等离子体的放电机制与击穿特性，为日后实验和研究提供参考。

关键词：微等离子体；微放电；场致发射；热发射；PIC/MCC模型

Abstract

Microplasma is a laboratory plasma that is generated, confined and maintained within a small spatial scale. The magnitude of its discharge scale is usually below 1 mm, which has many similarities with conventional plasma. Micro­discharge is a process in which gas breakdown occurs in a small spatial scale to generate microplasma. Due to the reduction of the discharge scale, it has unique properties and advantages. The biggest advantage of microdischarge is that it can generate stable high­density non­equilibrium plasma(gt;10²²m⁻³) at atmospheric pressure and high power density(~100kW/cm³). So it has applications in many fields, such as biomedicine, ion blowers, sensors, chemistry Synthesis, material preparation, etc. This paper mainly adopts the one­dimensional particle­in­cell Monte Carlo collision model, combined with field emission, thermal electron emission and other surface process models, to study the properties of microplasma in the microdischarge maintained by field emission and thermal emission.The kinetic characteristics of this type of microplasma are clarified, and the discharge mechanism and breakdown characteristics of this type of microplasma are revealed, which will provide a reference for future experiments and research.

Key Words: Microplasma；Microdischarge；Field emission；Thermal emission；PIC­MCC mode

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 引言 1

1.1 微等离子体的研究背景 1

1.2 国内外研究现状 3

1.3 本文内容及内容安排 5

第2章 场致发射和热发射的基本概念及物理模型 6

2.1 场致发射 6

2.1.1 基本概念 6

2.1.2 Fowler­Nordheim公式 6

2.2 热电子发射 7

2.2.1 基本概念 7

2.2.2 理查森定理 8

2.2.3 肖特基效应 8

2.3 物理模型 9

第3章 程序的模型与实现 11

3.1 PIC­MCC 模型简介 11

3.1.1 PIC模型 11

3.1.2 MC模型 12

3.1.3 PIC­MCC模型 12

3.1.4 本文采用模型 13

3.2 程序的模拟实现 13

3.2.1 软件及语言 13

第4章 击穿过程的结果分析 16

4.1 场致发射占主导的击穿过程 16

4.2 热电子发射占主导的击穿过程 18

4.2.1 二次电子和热电子对热微放电性质的影响 18

4.2.2 温度对热微放电性质的影响 20

第5章 总结与展望 23

5.1 总结 23

5.2 未来展望 23

参考文献 24

附录 26

附录 A：场致发射程序 26

附录 B：热发射程序 27

致 谢 29

第1章 引言

1.1 微等离子体的研究背景

自然界中的物质分固、液、气、三种形态，气体进在进一步加热的情况下，将会发生电离。此时，原子的外层电子将会挣脱原子核的束缚从而成为自由电子，失去外层电子的原子成为带电离子^[1]。当电离达到一定程度，电离的气体展现出明显的电磁特性，其中带正电和负电的粒子数相同，即称为等离子体，通常将等离子体称为物质的第四态^[2,3]。我们把带电粒子和中性粒子组成的表现出集体行为的一种准中性气体定义为等离子体。准中性表明等离子体中的正负粒子数基本相等，宏观下显中性，小尺度下呈现电磁性。集体行为则是等离子体与中性气体的主要区别^[4]。等离子体在我们的生活中有各种各样的形态：雷雨天的闪电，南北极的极光，太阳也是一个时时刻刻都在发生聚变反应的等离子体球。

图1.1 等离子体的各种形态

微等离子体是在较小量级的空间尺度(一般在1毫米以下) 内产生、约束并维持的实验室等离子体^[5-7]。在较小的空间尺度内发生气体击穿从而产生微等离子体的过程，即为微放电。与常规的气体放电类似，微放电也包含电晕放电、辉光放电、电弧放电、火花放电等放电模式。电晕放电一般用于废气的处理以及臭氧的制备，是通常发生在极不均匀电场下的局部放电。大气压下惰性气体中的辉光放电因其更加稳定的特性和装置设备制造成本低廉，成为基础研究和社会项目中最关心的放电模式。微放电实验的可控参数一般包括电源的功率、频率，实验气体的种类、气压、温度，放电间隙的尺寸等。与常规等离子体类似，微放电的驱动源种类也分为射频、直流、微波、脉冲等。

微放电在实际应用中有许多优点，首先，在大气压和高功率密度下，常规气体放电很难产生大面积均匀稳定的非热平衡态等离子体^[5,6]。气体放电的击穿电压遵循帕邢 (Paschen) 定律，即电极间形成放电的击穿电压是气体的压力p和电极间距离d乘积的函数^[8]。函数曲线呈对勾形，在一个特定点处，有最小击穿电压，因为微放电有较小的放电间隙，所以能够在更高的气压下实现稳定放电。其次，微等离子体的密度与功率密度更高，可以实现更高的物理、化学反应速率，光子通量等。再者，由于微放电可以在大气压下实现，不需要提供真空环境，能量消耗低，大大减少了操作费用，运行成本以及实验仪器的制造成本。最后，微放电实验的尺度小，能耗低，有利于实验设备的集成化，便于操作和维护。

图1.2 帕邢曲线

微放电能产生丰富的产物：电子，正负粒子，高能光子，各种自由基等。微等离子体及其产物能广泛应用于各各方面，例如：冷等离子体可用于化学合成以及集成电路板的制备，热等离子体可用于金属的冶炼与焊接，电子能用于电子源和各种实验，正负粒子能给材料进行表面处理，光子能用于光源以及等离子体设备的显示，各种自由基用于生物医学中的杀菌消毒、传感器和物理化学分析等^[9,10]。

微放电在基础研究方面同样有重要意义：在微放电等离子体中，放电尺度的缩小不等于等离子体的各项参数等比例缩小，随尺度缩小，会产生新的物理过程。同时微放电的发生和维持与常规气体放电相比具有其独特的特性。常规气体的击穿放电遵循帕邢定律，而近期的研究成果表明，在间隙尺寸处于微米级时帕邢定律并不适用^[11]。原因是在微放电过程中有较大的面体比(电极横截面积与间隙体积之比)，许多在常规放电下起辅助作用的表面过程，包括二次电子、场致发射、热电子发射等在微放电下的影响很大甚至占主导因素。微放电中电子的分布严重偏离麦克斯韦分布，且会随时间演化^[12,13]。如果能找出其原因，就能有效调控电子能量分布函数，有助于对等离子体的控制。

综上所述，微放电和微等离子体开辟了研究气体放电的新篇章，有广泛的前景与发展空间，涉及我们生产生活的方方面面，是新世纪等离子体研究的重要方向。

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