等离子体，是物质存在的第四态。物质被电离后，其中电子和正离子密度几乎相等，故称之为等离子体。在浩瀚的宇宙中，以等离子体状态存在的物质占90%以上，如各类恒星、星际空间，包覆在地球表面的电离层等等，均是以物质第四态存在着。在我们这个得天独厚的地球上，等离子体的存在就颇为稀罕，如难得见到的极光、闪电等。以人工方法可获得等离子体，如以光、X射线或γ射线的辐照，产生较低电荷密度的电离，也可从直流到微波频率的放电生成不同的等离子体，其他如冲击波，激光辐照、燃烧等等，都可产生各种类型的等离子体。

在等离子体中，正离子与自由电子再结合，恢复成电中性的原子或分子。这些原子或分子受到带有不同能量的电子、离子的碰撞，又会产生新的自由基以及不同激发态的原子或分子。所有这些粒子都具有化学活性，可以引起种种化学反应。等离子体化学就是研究等离子体内的各种化学反应以及等离子体与反应器壁，等离子体与置于反应器内的电极或其他材料间的反应。

等离子体化学研究的历史，可以追溯到1856年T. Andrews在大气压中以无声放电生成臭氧；1874年又有人发现放电管中通入有机气体后，在管壁上会生成一层难以清除的膜。直到1928年，朗谬尔（Langmuir）才正式命名等离子体。从此也开始了等离子体化学的历史。

通常进行的等离子体化学研究中，一般采用电气放电方式获得等离子体。其中有电弧、辉光、电晕、高频、射频和微波等类放电。这里主要对低温等离子体化学，亦即除电弧放电以外的各类放电产生等离子体中的化学反应及其近期进展概况，做简略介绍。

等离子体有机化学反应

一切有机气体通入等离子体内，皆可产生化学反应。通常有机化学的一些基本反应，均可在等离子体状态下完成，如解离，加成，置换，转换等。

含有羟基、醛基、羰基的芳香类化合物，在等离子体内很容易被脱除；一般烷烃类则会被脱氢而成为烯烃或炔烃。同样，氧、氮等也可通过等离子体加成到烯烃或芳香类化合物上。至于芳香类的醚、胺等化合物内的异构化反应，在等离子体条件下更易如反掌。

在放电条件下，以原始大气中的氢，甲烷，氨，水蒸气，二氧化碳等合成生命的基础物质——氨基酸、核酸等。这充分证实了地球上生命的出现，等离子体化学扮演了催生婆的角色。

等离子体聚合

直至本世纪三十年代，人们对于有机气体放电在器壁上产生的粘腻状的物质，感到厌恶而又无可奈何，随着对高聚物的分析检测手段的提高，才逐渐认识到在等离子体中生成的有机物质可具有多种形态和特性。其形成的薄膜可以具有良好的绝缘性，粘接性以及对化学药剂的稳定性。等离子体聚合化学，引起人们的重视，并在现代科学技术发展中，发挥着重要作用。

等离子体聚合与常规聚合反应大相庭径，它无需烯烃、环状化合物等具有反应官能团的单体。一般饱和烃、芳香族化合物以及有机金属化合物，都可在等离子体内被打成碎片（原子、基团等）再聚集而生成非常规的聚合物。这些聚合物的结构与初始物迥然不同，并且也不存在一般简单的化学当量关系。

在低温等离子体聚合中，所获得的聚合物形态，组成成分可与反应时的气氛构成、气体压力、流速以及放电电流，电压等密切相关。以乙烯为例，等离子体聚合物的形态可从粘稠状的液体、变到透明而坚硬的薄膜，甚至成为粉末状。等离子体聚乙烯，在分子结构和外貌上与通常的聚乙烯截然不同，它是呈交联的，不溶于任何溶剂，其耐热性高达300°C。

更为奇特的是，等离子体聚合可以双组份，或多组份地进行夹心饼干式的聚合反应。在等离子体反应器内，先通入乙烯后再逐渐掺入四氟乙烯，最终以四氟乙烯全部取代乙烯。结果可以获得夹心式薄膜，其表面全部为聚四氟乙烯成分，最底层为聚乙烯，上下两层间组分逐渐过渡无间断，这是其他聚合方法难以达到的。在通入气体中也可掺加CO，H₂和N₂等无机气体，就会在生成的聚合物内引入含氢、氧或氨的基团。

等离子体聚合主要用于制备膜材料。如反渗透膜在多孔质的基材表面，以各种含氮有机化合物进行等离子体聚合，可获得优异的反渗透效果：其脱盐率可达99%，处理水量达40千卡加仑。用等离子体聚合膜制成氢和乙炔的气体分离膜，其分离系数可达300。液体分离膜，以多孔质聚乙烯为基材，在孔中再以等离子体聚合甲基丙烯酸酯，就可有效地将甲醇从水混合液中分离出来。

等离子体聚合物，还可用来作为光学透镜以及红外光谱仪中KCl和CsI单晶片的防护膜。其中用于钢板以及铝板的防蚀连续等离子体涂覆，也早已工业化生产。其他如录像、录音磁带的防磨损保护膜，也是等离子体聚合物的重要应用之一。此外，等离子体聚合膜比一般树脂有着良好的光耗性，制做光声成电路元件方面，也是必选之材料。

以特殊有机单体在人造器官和金属陶瓷植入器件上形成抗血凝的等离子体淀积膜，不仅良好的生理适应性，而且还可以保护植入器件免受肌体内环境各种因素的影响。对于可埋入人体内的缓释药物表面，如淀积氟类有机化聚合物，就可有效地控制药物释放速率。

在惯性约束核聚变中，需要将氖 - 氚燃料容纳入直径为10~20微米的玻璃微球内，球表面需涂覆一层低原子序数材料膜。以等离子体聚合方法进行这一涂覆扣工，是理想的方法之一。

等离子体化学气相淀积

在低温等离子体中，两种反应气体在基片表面发生化学反应，生成一层固体薄膜，称之为等离子体化学气相淀积（PCVD），它与化学气相淀积（CVD）相比，其基片温度明显降低，因而所淀积成的薄膜热损伤也大为下降。如集成微电子学和光电子学常用的Si₃N₄，SiO₂，和Al₂O₃膜，以PCVD法制备比CVD法基片温度下降1~4倍。PCVD还可应用于微电子工业的微型电路制备以及集成光学元器件密封，材料表面保护，磁记录材料和美饰金属器具的表面涂覆等等方面。

PCVD还可改变原来的气体绝成，获得相同的淀积膜。如SiO₂薄膜，在CVD中是以SiH₄和N₂O两种气体反应淀积的。在PCVD中，则是将SiO₄气体引入氧等离子体中而淀积成的。TiC可以用TiO₄和CH₄等离子体淀积；以SiH₄等离子体淀积非晶硅膜；以N₂和SiH₄等离子体淀积Si₃N₄等。PCVD在产品质量上和产率上，以及反应气体的选择上，这比CVD优越得多。

利用PCVD还可进行掺杂薄膜淀积。如微波ECR等离子体无需电极，其等离子体密度较高，可以提高离子束流。以PH₃，B₂H₆，H₂S和H₂等离子体，可以对薄膜进行注入掺杂磷、硼、硫和氢。

近来，以金属有机化合物等离子体分解的方法形成金属合金薄膜，如以二乙基锌和三甲基锡作为起始物，可制备出合金Zn-Su薄膜，具有光泽且无针洞。以此种方法，可以将Ⅲ-V，Ⅱ-Ⅵ和Ⅳ-Ⅵ族半导体化合物及其合金制备出来。

又以PCVD技术利用丙酮和氢气为反应气体，制备出类钻石的高硬度炭膜。

等离子体引发聚合

以等离子体辐照而引发化学物质（、气、液、固相皆一样）发生聚合反应，可用于超高分子量聚合物的合成，酶的固定化，环状化合物的固相开环聚合等。如以等离子体引发聚合固态的三氧杂环己烷，可以获得高结晶度、高弹性模量的新材料。比以7射线或X射线辐照引发聚合所得之产物得率要高，且剂量大为降低。

等离子体表面改性

惰性气体以及氢等离子体对高分子材料表面的作用过程中，不参与任何反应，只是将把能量转移给表层分子，使之活化生成自由基，自由基又相互加成而使大分子间产生交联。这种以非反应型等离子体在高分子表面形成很薄且较为紧密的交联层，通常被称之为“CASING”。高分子材料表面交联层的形成，不仅改变了表面自由能，而且还可以减少高分子材料内部低分子量（如增塑剂）的渗出。如高分子材料本身含有氧，由于大分子断裂、分解而形成小分子碎片进入等离子体内，从而向等离子体体系中提供了氧，将会产生氧等离子体的一些效应。

氧或氮等离子体是最广泛采用的反应气体，它在材料表面参与化学反应，改变材料表面的化学组成。如氧等离子体中，含有丰富的氧原子和激发态氧分子，它们具有较高的化学活性，对高分子材料进行氧化反应，使得高分子材料表面不仅引进大量的含氧基团，同时还由于氧对材料表面的氧化分解，而产生刻蚀作用。聚乙烯、聚酰胺、聚苯乙烯等材料，经氧等离子体处理后，可增加材料表面自由能，降低表面润湿角，从而改善了表面润湿性、粘结性、印刷性以及镀金属性等。

氮等离子体中包含具有化学活性的氯原子等，也可参与高分子材料表面的化学反应，将含氮的基团如腈、胺或亚胺引入材料表面，使得材料的润湿性和粘结性得到明显改善。合成纤维经NH₃或SO₂等离子体处理后，可改善其吸水性和染色性。大规模集成电路制备中，以等离子体在Ga As晶片上生成氧化膜的方法，已广泛被采用。

纺织纤维经等离子体处理后，可以改善其纺纱性能和表面润湿性。珍贵的兔毛纤维，经等离子体处理后可很容易地纺制出纯兔毛纱，由其制成的兔毛衫不易脱毛和虫蛀。

反应性等离子体还会使高分子材料表面上大分子断裂，形成小分子碎片被排出系统，因而在表面造成刻蚀。这种干法刻蚀可用微电子工业，刻线的细度可达亚微米量级，大大提高了器件的集成度。已广泛采用的如以CF₄等离子体刻蚀Si和SiO₂晶片。

等离子体灰化作用，是彻底刻蚀的结果。工业废气、废液以等离子体处理，可最终变成无害的CO₂和水蒸汽等。还可利用等离子体对医疗器械的灭菌和纺织天然纤维的杀虫。农作物种子经等离子体处理后，不仅可以防止腐烂变质，还可提高发芽率和芽苗的成活率，达到增产增收的目的。以等离子体对织物进行干法退浆，一改传统的湿加工艺，不仅节约了化学药品，也消除了湿加工产生的废水污染问题。

展望

等离子体化学的发展，已渗入到各个领域。除上述简介的一些内容外，近来，又开发出以等离子体源进行离子注入加工，不仅对高分子材料而且对金属表面进行改性。以微波等离子体淀积超导膜，超微粒子膜，光纤芯层加工等，甚至对托克马克装置的干清洗。以等离子体引发接枝，也是改性各类高分子材料的重要手段之一。总之，等离子体化学的发展是日新月异。当今，已成为一门正式的学科，跻身于高新科技之林。

为了适应等离子体化学发展形势，从1973年开始，IUPAC（国际上最具有权威的化学联合会）每隔二年举行一次国际等离子体化学会议；又出版专业性刊物，以供各国从事这一领域研究的科技工作者们进行交流。我国每四年举行一次专业年会；并与日本同行定期举行双边交流。今年9月下旬，将在南京市举办亚太地区及中日等离子体化学学术讨论会。

等离子体化学时至今日，方兴未艾。还有很多理论和实际应用问题等待进一步开发，其各种状态的诊断技术，还须解决实时在线检测和控制参数等，一些化学反应的优选等等。可以预料在本世纪最后十年和下一世纪初，将会有更大地技术突破，应用范围将更加扩大。