用于可控纳米制备的高活性、多组分等离子体中的基本过程与特性

Using continuous microwave discharge, normal glow discharge or abnormal glow discharge as the approaches of continuous excitation, and pulsed laser ablation as the approach of pulsed excitation, the proposed project will address the study on highly excited, highly reactive and multi-component continuous gas discharge-pulsed laser ablation (CGD-PLA) plasmas ignited by means of the co-action of continuous gas discharge (CGD) and pulsed laser ablation (PLA). The primary processes and characteristics of the CGD-PLA plasma will be studied in the project through the measurement and analysis of plasma optical emission with spatial and temporal resolusion combined with computer simulation and spectrum fitting, including the rapid expansion of the transient PLA plasma in the uniform and continuous CGD plasma, the collision, excitation and ionization processes of the particles in the the CGD plasma and the PLA plasma, the formation of the CGD-PLA plasma as well as the characteristis of the CGD-PLA plasma such as high excitation and high reactivity. As the plasma boundary, the sheath of the CGD-PLA plasma near the surface of a sample workpiece will be addressed in the project including the sheath features and their influences on the sample surface as well as the related mechanisms. The gas phase reactions occurred in the CGD-PLA plasma will be investigated by detecting and identifying the gaeous particles in the plasma. Based on the above work, the project will also explore the applications of the CGD-PLA plasma in the fabrication of nano materials, gain understanding of the influences of the CGD-PLA plasma characteristics on the composition, morphology and structure of the fabricated nanomaterials, and demonstrate the feasibily of CGD-PLA plasmas for the controllable fabrication of nanomaterials.

以连续的微波放电、正常辉光放电或反常辉光放电为连续激励手段，脉冲激光烧蚀为脉冲激励手段，通过连续气体放电（CGD）和脉冲激光烧蚀（PLA）的共同作用这一双源激励手段，引发高激发度、高化学活性和多组分的CGD-PLA等离子体；以时空分辨的等离子体光谱测量和分析方法结合理论模拟和光谱拟合，研究CGD-PLA等离子体的基本过程和特性，包括瞬态PLA等离子体在均匀连续的CGD等离子体中的高速膨胀和两等离子体粒子之间的碰撞、激发、电离等过程以及所导致的CGD-PLA等离子体的高激发、高活性等特性；研究作为等离子体边界的材料表面附近CGD-PLA等离子体的鞘层特性和对材料表面的作用过程和机理；通过对气相等离子体粒子的探测识别，探讨发生在CGD-PLA等离子体中的气相反应；在此基础上摸索这类等离子体在纳米材料制备上的应用，了解等离子体特性对材料成分、形貌、结构的影响，并探讨纳米材料可控制备的可行性。

低温等离子体，尤其是高激发度、高化学活性、多组分的低温等离子体，在材料等离子体制备和处理等材料科学和技术领域的应用日益广泛，包括各种纳米结构材料和化合物材料的合成制备。低温等离子体的技术发展和应用探索又促进了等离子体基本过程和特性的研究。本项目以气体放电、激光烧蚀、激波激励等方式引发等离子体，特别是用两个或两个以上的激励源，引发高激发度、高化学活性和多组分等离子体，包括通过连续气体放电和脉冲激光烧蚀的共同作用、脉冲激光烧蚀和激波约束的先后作用。以时间和空间分辨的等离子体光谱诊断和测量结合光谱拟合和温度估算，研究了等离子体的特性和发生在等离子体中的基本过程，包括快速膨胀和急剧演变的脉冲激光烧蚀等离子体在均匀连续的气体放电等离子体中的高速膨胀和等离子体之间的相互作用，等离子体粒子之间碰撞、激发、电离、解离等过程以及所导致的等离子体的激发增强，脉冲激光烧蚀引发的激波对脉冲激光烧蚀等离子体的空间约束和激发增强。通过对等离子体光谱的时间演变和空间分布的考察和对气相等离子体粒子的探测识别，项目还着重研究了等离子体的高激发和高活性以及高激发、高活性、多组分低温等离子体对处于等离子体中的材料表面的作用，探讨了发生在等离子体中的气相反应、等离子体粒子在材料表面的凝聚和等离子体对材料表面的溅射等。在此基础上摸索了这些等离子体在纳米和薄膜材料制备上的应用，制备了多种包括纳米晶、纳米锥、纳米棒、纳米管等纳米和纳米异质材料和化合物和掺杂化合物等薄膜材料，考察了等离子体特性对材料成分、形貌、结构和性质的影响，研究了材料光学、电学、光电化学等性能，并开展了材料的性质优化和应用尝试。项目资助发表SCI论文29篇，另有2篇已接受，国际会议报告3篇，国内会议报告和墙报各1篇。培养博士4名、硕士3名，其中2名博士获上海市优秀毕业生，另有2名在读博士生预期2017年毕业。