全介观尺度放电体系中的临界现象及其气敏效应研究

The scale effect in a discharge system is a crucial issue in the research field of gaseous electronics and plasma physics. In this project, we propose the concept of “all-mesoscale discharge system” (AMDS), which modulates the procedures of charges separation and transportation at the level of the gas particles’ mean free path in the normal pressure and temperature. Focusing on the description of the critical phenomenon and interpretation of theory, this project studies the correlation between the plasma evolution and the structural factors of the electrodes system in the perspective of scale effect, in order to reveal the scale requirements for a discharge system to be determined by the classical theories, which brings about a creative scientific issue in gaseous electronics and plasma physics. The mesoscale electrodes gap and electrode structural characteristics in AMDS result in the suppressive effect on the unstable random procedures, which presents the control mechanism of the critical effect in a dense system with low-frequency ionization collisions. This is an exploratory attempt to build a gas discharge system in the normal pressure where the features can be well controlled. A novel discharge system with an ultralow working voltage can be obtained based on the study of AMDS, meanwhile the mean free path of electrons and the frequency of neutral gas molecules’ thermal motion can be modulated by the adjustment of the nanoscale thermal region. Then the correlation between the molecular dynamic characteristics and the discharge critical effect is established, which provides a route for a unique gas sensing structure to capture different sensing signals from a certain component at the same time, in order to significantly improve the selectivity of an ionization gas sensor.

放电体系结构的尺度效应是气体电子学和等离子体物理领域的一个重大命题，本项目提出全介观尺度放电体系，在自由空气中粒子平均自由程尺度上调制电荷分离和输运过程，围绕临界效应的现象学表征和理论阐释，从尺度效应的角度研究等离子体演化过程与电极系统结构要素之间相关性，揭示气体电子学现象经典理论描述的尺度条件，在气体电子学和等离子体物理研究中提出了新的科学命题；研究通过电极间隙和放电电极在介观尺度水平上的结构特性抑制自由空气中的失稳随机过程，揭示低电离碰撞频率稠密系统中临界效应的可控机理，这是在常压空气中，探索构建特性可控气体放电体系的一个新的尝试；研究通过构建全介观尺度电极系统得到一种超低压放电体系，基于纳米尺度温区的变化调制电子平均自由程和中性气体分子热运动速率，构建分子水平的动力学特性与放电临界效应的相互关系，从而能在单一器件结构中得到相同气体成分的不同气敏信号，提供一种提高离化传感选择性的方法。

本项目建立了全介观尺度放电体系气体离化理论模型，在此模型基础上设计了一种离化式气体传感器件结构，根据此设计开发了一套完整的微加工工艺和测试方法，最后搭建配气系统测试气体传感性能，成功验证了基础理论、器件设计、加工工艺。.在放电体系结构的尺度效应这一气体电子学和等离子体物理领域重大命题中，项目从原理到试验证明了全介观尺度下气体离化临界现象可结合异质结构的极化效应、偏置电压等物性参数进行调控，揭示了等离子化过程的尺度条件，解释了放电体系中的热效应，设计并制备了典型的全介观尺度离化式气体传感器件。.所实现的全介观尺度放电体系，能将传统的千伏级以上的工作电压降至伏特级；在气敏效应研究中，被测试验证的器件结构整体在微米级，纳米线电极直径在100 nm级别，纳米针尖尖端尺寸在100 nm以下，在伏特级电压加载下理论上可形成高达1E11V/m的局部强电场；该气敏器件理论上可检测所有种类的气体，实际测试中，典型的高电离能氮气的击穿电压仅在伏特级；气体浓度的传感测试方面，至少可检测100 ppb级的痕量气体（NO2/N2）。.项目将放电间隙降低至气体分子的平均自由程级别，通过尺度效应和极化效应的叠加，弥补了介观尺度下碰撞电离不足的问题，对微小型空间内等离子体的发生提供了新的思路；探索了介观尺度下等离子体演化过程中的热效应，分析验证了在此尺度下放电体系自身所产生的巨大的升温效应，评估了外界温度调控手段的可行性，对相关领域基础研究提供了参考。.在应用方面，本项目为原理验证所采用的加工技术较为特殊，尤其是在纳米线的转移手段方面，限制了本技术传感应用的推广。但是，目前已知的集成电路工艺已可批量实现直径在几纳米级别的硅线，对于项目所提出的全介观尺度放电体系而言工艺是适用的。因此，利用先进的半导体成熟工艺，本系统所特有的小体积、高集成度、低功耗、实时现场硬件响应等优势，未来可以直接将此气体放电等离子体结构直接集成于微电路中，在物联网时代发挥重要作用。