電漿是什麼?

電漿二字中文,表示自然界的物質,會有機會達到一種同時表現出帶有正電荷,以及帶有負電荷的複合狀態,肉眼看起來好像是一團發光的雲或像變成漿料的物質,其性質又有別於自然界中的固體、液體、氣體的三種狀態,因此我們稱為這種狀態為物質的第四種狀態,這種一團帶有電荷又會發光的特別狀態,中文稱為「電漿」。

電漿狀示意圖

電漿如何形成?

電漿的產生是靠極高動能的自由電子與氣體分子或原子碰撞。當氣體在高能量或強磁場作用下,會解離成帶負電荷的電子、帶正電荷的離子、以及帶活性自由基的中性氣體分子。 簡單來說,當自然界的物質 (一般是氣體分子),進入到會發光的狀態時,就是形成了電漿狀態 (這是不太標準的說法,但是讀者可以比較容易體會),比方說太陽,就是宇宙裡面最大的電漿體,裏面是由氫與氦所組成,另外宇宙中所有的星星都是恆星,同時也是都處於電漿的狀態。

下圖是電漿產生的基本裝置構造。一般所謂產生電漿的裝置,其實是一個產生氣體放電 (discharge) 現象的裝置,讓電子從一個電極表面,奔向另一個電極的過程,其中會與遇到的分子氣體產生各種交互作用 (能量轉移),也會讓氣體受激而放電,而產生電漿的輝光現象。

電漿形成過程

電漿的應用核心-表面改質

那麼電漿狀態,到底有什麼核心特色呢?它的特別就在於它的化學反應性特別的高,可以在非常微小的尺寸下 (一般是奈米級到原子尺寸等級),有效發生化學反應作用,而所謂的化學「反應」,就是發生電子轉移的現象。由於電漿已經是一種處於電子、離子分開又結合 (所以才會產生光輻射) 的暫穩態現象,因此當電漿接觸到其它中性物質或者同樣其它物質的電漿狀態時,很容易就會發生彼此電子交換的現象,進而產生化學反應。

舉例來說,氧氣電漿,碰到以碳原子為主的高分子材料 (塑膠) 表面時,就很容易馬上與碳形成二氧化碳的氣態生成物 (2O + C → CO2),而被抽氣帶離表面 (氧氣如果不是在電漿狀態,塑膠發生反應的速度是非常慢的),這種電漿反應在工業界習稱為電漿蝕刻 (etching) 反應,可以用來對材料表面進行非常精密 (一般在奈米級) 的重新塑形,

如上圖所示,可以看到鞋子不同部位的不同材料經過空氣大氣電漿處理過後,表面形態已有所改變。
註:Upper 是指鞋面,在此為 PET 布料,Midsole 是指鞋子的中底,此為 EVA (ethylene-vinyl acetate) 材料,Outsole 是指鞋子的大底,此為橡膠。

上圖的實驗則是用 原子力顯微鏡(AFM) 來做表面型態變化更仔細的比較。此為 PI (polyimide) 薄膜經過不同程度 (時間) 空氣大氣壓電漿表面處理之後,表面從原本相對平面的型態,逐漸出現均勻突起物的的粗糙結構 (量測範圍為 1 – 1 um),顯示出空氣電漿處理對於表面粗度的影響,其實是表面被蝕刻的結果。