微波SPP放电激励SWP及其与射频CCP混合放电的粒子模拟

新型表面波等离子体（SWP）源及其与电容耦合等离子体（CCP）混合放电SWP/CCP源，具有高活性、高密度等优异性能，其应用在电子器件微纳加工、材料改性等领域，但由于表面等离激元（SPP）加热SWP的电离过程难于用理论分析和实验测量来描述，因而SWP及SWP/CCP的大面积均匀稳定产生一直困难重重。针对SPP可控加热等离子体的科学技术难题，以SWP及SWP/CCP放电的数值模拟为研究对象，采用等离子体与电磁波相互作用的粒子模拟（PIC）方法，结合蒙特卡罗方法处理粒子碰撞的优势（PIC/MCC），研究影响放电的电磁能量耦合机制。项目预期将揭示SWP及SWP/CCP放电的时空物理参数演变机理，理解SPP维持SWP放电的电离过程，得到SWP/CCP混合放电的可控物理参量。项目的研究结果对于大面积高密度等离子体的可控产生具有重要意义，可为新型高频波放电等离子体源的产业应用提供科学依据。

与其他类型的等离子体源相比，新型表面波等离子体（SWP）源及混合放电等离子体源，具有高活性、高密度等优异性能，其应用在电子器件加工、材料改性等领域。但由于表面等离激元（SPP）加热SWP的电离过程难于用理论分析和实验测量来描述，因而大面积SWP源的均匀稳定产生一直困难重重。在国家自然科学基金青年基金的资助下，我们以SWP及SWP混合放电的粒子模拟（PIC/MCC）为研究对象，研究了影响放电的电磁能量耦合机制，揭示了SWP及SWP混合放电的时空物理参数演变机理，理解了SPP维持SWP放电的电离过程，得到了SWP混合放电的可控物理参量。所取得的主要研究成果如下：(1) 微波SPP激励SWP及其混合放电电离发展过程的粒子模拟，探讨分析了电磁场的求解、等离子体集体运动、粒子间的碰撞以及带电粒子与边界的相互作用的物理机制。(2) 大气压低功率微波等离子体射流的产生及其放电机制的初步研究，构建了连续微波激励放电和脉冲调制微波放电两种大气压等离子体射流装置。(3) 局域增强电场的产生及其在超材料制备和气体放电的研究，拓展了局域增强电场的概念，在基于SPP效应的微波带通超材料制备和直流自激脉冲大气压空气辉光放电等方面做了有益的尝试。(4) 基于高频波激励混合放电的等离子体源构建及材料制备研究，优化了混合放电参量及其调控策略，制备了多种半导体光电薄膜材料。迄今为止，已在国内外权威期刊上发表署名国家自然科学基金项目资助的研究论文23篇（SCI收录22篇、EI收录1篇），申请国家发明专利3项，实用新型专利5项；与俄罗斯圣彼得堡国立大学物理系的Anatoly教授和华中科技大学电气学院的刘明海教授等国内外同行开展了合作研究及学术交流，在专业学术会议上作专题报告和墙报展示共4人次；共培养硕士研究生11名，4名项目团队人员晋升高一级职称。