尘埃等离子体的研究进展(5)
2.4 尘埃等离子体的发展历史
尘埃等离子体物理是近十年里等离子体学科中一个活跃的分支领域之一。有关尘埃等离子体的研究历史可追溯到一个多世纪前的天文观察，星际空间、行星环、彗尾等处均存在大量尘埃颗粒，这些颗粒被电离气体以及被紫外线辐照而带电[24]。实验室尘埃等离子体的研究也可追溯到等离子体学科发展初期Langmuir等人观察到的溅射粒子吸附电子现象。
尘埃等离子体作为研究对象是从20世纪80年代才开始的，部分起因来自土星光环的观测与研究。当时研究者在旅行者2号宇宙飞船传回的土星光环照片中观察到一些轮辐式结构（如图2所示），这种结构可以持续一小时以上。
图2 土星环的轮辐结构
这些辐条状物质散射太阳光而被飞船看见，当飞船向土星靠近时，看到的是相对于明亮背景的暗辐条，当飞船离开土星时，看到的是比背景明亮的辐条，这说明辐条是由精细微粒组成，对阳光的散射是米氏散射[25]。因为光环中的离子运动都是沿环绕土星的轨道而进行的，所以用传统理论不能解释。更重要的是，这些辐条物不是静止的，而是快速运动的，运动的时间尺度很短，在几分钟内看到变化，不能用引力来解释，必然受到电磁力的影响。后来用等离子体领域里熟悉的不稳定性理论解释了这一现象，所谓不稳定性，是等离子体中常见的现象，就是有某种原因导致了某种运动或变化，而这运动或变化的结果又加剧了这一原因，导致增长或振荡[18]6。解释土星轮辐式结构的模型是认为有外来大型颗粒入射到土星环，使等离子体局部密度变化，导致电场扰动，顺环运动的尘埃颗粒在这里积累，产生局部变黑效应，而这一局部变化可以作为波在径向传播，形成轮辐结构。
在与天体物理毫不相干的另一技术领域也发现了尘埃等离子体的踪迹并促成了尘埃等离子体物理后来的发展，这个领域就是迅速发展的大规模集成电路的制造业，或称IT业。现在的IT业广泛使用等离子体技术，如等离子体刻蚀、镀膜。这样的工艺过程当然要求很清洁的环境，避免环境中的尘埃污染成品，但是这样的污染难于完全避免，因为它们不完全来自环境而主要来自等离子体过程。IBM的Selwyn等人在1989年首次报道了等离子体刻蚀半导体芯片过程中的尘埃污染，在这之前人们总是认为芯片是在空气中被污染的，因而总是不断地提高洁净工作室标准，但总是无法消除污染，出于商业机密，工业界未公开这些问题，而Selwyn等人发现尘埃颗粒不是从外界带入的，而是在刻蚀过程中生长起来的[16]245。
笼统来说，等离子体中的离子会与固体器壁强烈作用，将器壁材料溅射进等离子体，或者一些反应气体会合成固体颗粒。例如，粒子在石墨电极或铝真空室壁上溅射出来的碳或铝离子在空间结合成微粒。一些气体在等离子体条件下也可反应产生固体颗粒，如刻蚀中常用的气体是氩气和硅烷等混合气体，后者是极易反应的气体，容易产生二氧化硅，分子间聚集形成尘埃颗粒。这样的微粒的产生往往是普遍的、难以避免的，它们往往在被处理的载体上空形成尘埃云，这些颗粒被等离子体带电，由电场力和重力相平衡而被悬浮，但在放电结束时电场力消失，它们在重力作用下掉在载体上，便造成污染[26]2150。这个现象的发现揭示了等离子体材料处理中的尘埃粒子具有与空间环境中的尘埃颗粒相同的性质，使得这两个领域的人们走到一起，共同推动了尘埃等离子体物理的发展。
不过关于尘埃等离子体的这一发现带来的并不都是困扰，它还有另一层意义。实验室搞基础研究的人们始终在寻找产生强耦合等离子体晶体的方法，他们试图用带电尘埃来产生，但苦于无法将尘埃颗粒托起。Selwyn等人的研究使他们受到启发，用射频放电和与等离子体刻蚀相同的气体可以产生尘埃颗粒并且利用等离子体鞘层可将它们悬浮在基板的上方。1994年，我国台湾国立中央大学的伊林等人以及德国马普研究所的Morfill等人几乎同时在实验上首次实现了尘埃等离子体晶体结构，这就极大地鼓舞了这个领域人们的研究热情[16]245。另外，1995年美国爱荷华大学的Barkan等人在稳态等离子体中观察到尘埃颗粒运动激发的尘埃声波，又推动人们对尘埃等离子体中集体波动与不稳定性问题的研究高潮[27]。
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