物质的第四态:等离子态

常传平

所谓粒子，不过是场的激发态。汤大卫的生动比喻："想象房间充满电子场，量子力学将场中的微小涟漪束缚成能量束，这才形成我们探测到的电子。

我们都知道物质有固、液、气这三种状态（相），其实从微观视角看，不同的物质状态对应着不同的粒子排布方式。当物质内能发生变化时，微观层面的有序度也会跟着变化，于是在不同的温度和压力下，不同的相之间就会发生转化。

例如，组成固体的粒子只能在晶格位置附近做小幅度的热运动，于是固体有着最高的有序度；随着温度的升高，粒子获得的动能超过其结合能时，固体就将转化为有序度较低的液体，甚至直接转化为气体。

微观视角看：固态、液态、气态如果继续加热气体，当原子中电子的动能超过某个阈值时，电子就会脱离原子的约束（自由电子），而原子则因为失去电子而成为正离子，这就是电离的过程。

由大量被电离的原子所组成的物质与普通的气体在性质上有着巨大的差别，这种新的物质状态便被称为等离子态。

相比于固、液、气三态，等离子态的有序度显然是最低的。因为在等离子体中，电子可以脱离原子而自由地运动，就像普通气体中的分子运动那样。

温度与物质状态的关系

自然界中的等离子体

其实在宇宙中，等离子态非常常见，几乎99.9%以上的物质处于等离子体状态。所有恒星以及大部分星际空间中都充满了等离子体：在恒星内部，高温产生了等离子体；在稀薄的星云和星际气体内，恒星的紫外辐射也会引发原子的电离。

　　太阳（等离子体）

比如离我们最近的恒星，太阳，就是一个灼热的等离子体火球。由于太阳不断地向太空中释放大量的辐射能和高能带电粒子，当带电粒子进入地球大气层时，会在地球磁场的引导下进入高纬度的极区。于是两极附近的空气分子就会因为受到粒子撞击而被激发并释放出光子，形成五彩缤纷的极光。

极光

除了极光，雷电是另一种在地球上常见的等离子体现象。当云层中电荷不断积聚、电场增强到足够大时，就会击穿空气，形成强大的电流；而在放电通道中，温度会瞬间升高到大约3万摄氏度，于是空气中的气体分子也被电离。而打雷之所以会伴随着闪电，正是因为电离过程中原子会被激发而释放出光子。

闪电

那么火焰是不是等离子体呢？简单来说，高温火焰（>3000 K）中的气体分子会被较为充分地电离，因此可以看作是等离子体；而低温火焰（<1000 K）则并不是。也正因为如此，高温火焰在燃烧效率、污染物减排和能量释放等应用层面都比低温火焰具有更为显著的优势。

等离子体的屏蔽效应

等离子体的基本成分是电子、离子和中性原子，虽然带负电的电子数可能多于带正电的离子束，但正负电荷的总量是相等的。因此，等离子体在宏观上是“准电中性”的。

相比于宏观尺度上的准电中性，在微观的局部区域，等离子体中却存在着正负电荷的分离。也就是说，等离子体中的电子和正离子有着相对独立的活动空间，这一特性是一切等离子体技术的基础。

假如在某个时刻，等离子体中发生了电荷扰动（比如某个区域突然出现了一个新的正离子），那么由于电场力的作用，异性电荷会靠近，而同性电荷则会远离。

于是电荷就会发生重新排布，直到形成一个带有相反电性的“护罩”来抵消静电场的变化，于是电荷扰动就被限制在了一个很小的范围内，这就是等离子体的屏蔽效应。

　　等离子体中的屏蔽效应

不同的等离子体有着不同的电荷屏蔽能力，这种能力体现在屏蔽区域的大小（德拜长度）上。如果等离子体中带电粒子密度越大、温度越低，那么德拜长度就会越小，屏蔽也就越有效。

不同等离子体的德拜长度

屏蔽效应的存在一方面让带电粒子避免远距离的库仑碰撞，显著减小粒子的能量耗散，使高能粒子的存活概率得到提升，从根本上维持了等离子体的稳定性；但另一方面，屏蔽效应也会阻碍电磁波的传播，引发通信黑障。

　　等离子体引发通信黑障

等离子体的产生

既然等离子体的核心特征是大量的带电粒子（电子和正离子），因此制造等离子体的过程也就是提供能量使大量中性原子电离成电子和正离子的过程。

从这个角度看，制造等离子体的方法非常多，就像自然界中的高温和闪电一样，几乎所有的高能过程都伴随着等离子体的产生。

在生活中，最常见的等离子体是通过高温产生的（太阳）。不过在工业上，最常用的方法是用电场驱动原子电离。这种方法通过高压电提供电离所需要的能量。工业焊接、金属熔炼、辉光放电、电晕放电、脉冲放电等都属于这种方法

　　各种形式的电晕放电

除了直接用电，我们还能通过磁生电的方法来引发原子的电离。这种方法被广泛用于半导体刻蚀和气相沉积等表面处理工艺中。

此外，当光子携带很高的能量时（比如激光），也能引发原子电离。光能激发电离有着高精度、低热量输入、低失真、速度快等优点，在激光焊接、核聚变研究等尖端技术中被广泛使用。

激光焊接

与光子类似，高能粒子（射线）也能引发电离（射线辐照电离）。比如我们可以用α射线（氦核）就可以直接电离气体。这种方法对于电离能量的控制比较精准，广泛用于癌症治疗、半导体加工、农业育种等领域。

低温等离子体

等离子体并不一定意味着很高的温度，因为低温环境下也能产生并维持等离子体。

在等离子体中，电子和离子的质量差别非常大（动量传递效率很低），因此当电子之间达到热平衡时，电子与离子之间的热平衡可能还远没有建立。也就是说，在等离子体中存在这么一种情况，电子温度很高而离子温度很低（微观视角下温度是粒子的平动动能）。

事实上，等离子体中的电子温度可以达到1万度以上，而离子温度却可能还不到100度。而由于离子的“热容”远高于电子，因此等离子体的整体温度就比较的低。比如在霓虹灯的灯管中，虽然内部的电子温度可以高达10万度，但如果我们测量一下管壁的温度，会发现它还不到60°C。

这种非平衡态等离子体又叫低温等离子体。由于低温等离子体既能够提供足够高能的电子使反应物分子激发，又能够让系统保持在室温的操作环境中（避免热损伤），在杀菌消毒、疾病治疗、材料表面处理、污染物处理等领域都有着重要的应用。

　　低温等离子体用于水果保鲜

等离子体的产生机制：电子雪崩

以电场驱动电离为例，在施加电压后，阴极表面发射出的电子（初始电子）会在在电场作用下向阳极加速运动。如果在运动过程中撞到了气体分子，电子就会把一部分动能传递给气体分子并发生减速，然后在电场的作用下再次获得加速。

当电子与气体分子相撞时，如果电子的动能足够大，就会引发气体分子的电离（碰撞电离）并产生新的自由电子。于是更多的电子在电场中加速运动，并引发更多气体分子的电离。

电离过程中自由电子数指数上升

这种自由电子数呈指数级上升的电离过程被形象地称为电子雪崩。

在这一过程中，最为关键的是电子在电场中获得加速的过程。因为当电子在碰撞减速后，如果没有被充分加速就进行下一次碰撞，很可能无法提供足够的动能来引发电离，滚雪球效应也就难以为继了。

为了保证电子的充分再加速，要么增加电场强度（提高电压），要么让电子就足够的加速时间（减小气体分子密度）。这也就是为什么，高电压和低气压是产生等离子体的关键参数。

当气压足够低时，我们在室温下就能将气体电离成等离子体。电离导致的原子（电子）激发会将一部分能量以光子的形式释放出来（荧光）。这就是填充了低压惰性气体的霓虹灯的发光原理。

霓虹灯

等离子体的产生机制：击穿电压

事实上，产生等离子体的气压并不是越低越好，因为如果气压太低，电子与原子的碰撞概率就会过低，可能没触发电子雪崩就已经到达了阳极。

如果要使电离过程顺利进行，一方面需要让电子获得充足的能量；另一方面需要让电子与分子有合适的碰撞频率。为了同时满足这两个条件，就需要让气压处在一个合适的范围。

除了气压，电极间距（d）是另一个重要参数。如果电极间距过短，则电子会直接从阴极到达阳极，导致电子雪崩中断；如果电极间距过大，则需要施加很大的电压才能产生足够大的电场使电子获得充分加速。

因此为了达到最佳的击穿效果（最小击穿电压），必须让气压和间距共同协调以达到最优状态。

气体的最小击穿电压与p*d的关系

这就是为什么当空气被击穿时，电弧往往不走看似距离最短的直线，而是绕一条弯弯扭扭的曲线，因为有时候更远的距离反而让击穿电压变得更低，而电弧总是会出现在最容易发生电离（局部击穿电压最低）的路径上。

　　空气击穿后产生弯曲的电弧

当然在实际情况下，电弧还会导致局部温度、气体密度、电离度等因素发生动态变化，电弧的路径也就需要随之作进一步的调整。因此，电弧出现的时候看起来总是游移不定的。关于这一点，一个有趣的例子是高压行波电弧。

　　高压行波电弧示意图

不同于常见的固定在两点之间的电弧，高压行波电弧是一种连续向上运动的电弧。为了产生这种电弧，通常使用下窄上宽的间隙结构。

当电弧在较窄的底部间隙中被击穿产生时，会释放大量热量。由于热空气的密度较小，电离后的气体随之上升，电弧也跟着向上移动。

随着间隙逐渐增大，电场强度降低，电弧变得越来越不稳定，最终断裂。随后，新的电弧又在下端重新生成，于是形成了周期性上升的电弧现象。

如果我们对高压行波电弧进行长时间的曝光，就会看到一个类似梯子的图像。因此高压行波电弧又被称为雅各布天梯。

雅各布天梯

等离子体的产生机制：电场频率

我们日常生活中使用的电力分为直流电（DC）和交流电（AC）这两种类型。直流电是电流方向恒定的电（比如从电池里放出来的电），而交流电则是电流方向在不断变化的电（比如家里用的市电）。

　　直流电和交流电波形示意图

交流电的电流方向会随着时间作周期性的变化，这也就意味着交流电的电场方向也在按一定的频率不断变化。

如果交流电的频率很低（比如家用电，50Hz），电场的变化速度就赶不上带电粒子的运动速度，等离子体依旧会经历击穿、维持、熄灭的全过程（电子雪崩）。在这种情况下，交流放电跟直流放电没有本质区别。

但是随着频率的进一步升高，情况就不同了。

假如电场频率升高到了某个临界频率（>10 kHz），在这一频率下，较重的离子刚好能够在间隙中来回运动而又不会撞上电极。与此同时，从电极上发射出来的电子还会继续电离出新的正离子。因此，空间中的等离子体密度会持续增长。

如果电场频率继续升高（>MHz），这时候不仅离子跑不动，连更轻的电子都只能够在间隙中做往复运动。于是，空间中等离子体的密度将得到更快的增长。

那么相比于直流电产生等离子体，通过高频交流电来产生等离子体有哪些优势呢？

首先，由于等离子体只会在空间中振荡而不会撞到电极，因此电极材料就不容易被烧蚀或污染，能够有着更长的工作寿命，甚至能够实现“无电极放电”（比如感应耦合等离子体）。

感应耦合等离子体火炬

既然带电粒子不会与电极接触，自然也就避免了电极附近的电荷积累。于是等离子体在空间中的分布会更加均匀，能够适用于大面积的表面处理工艺（如等离子体增强化学气相沉积，PECVD）。

等离子体增强化学气相沉积（PECVD）

此外，由于带电粒子可以在空隙中不断地积聚，因此即使气体非常的稀薄，也能实现有效的击穿。也就是说，高频电场可以产生更高密度的等离子体，从而在更低气压下（甚至近真空环境中）维持放电（同等条件下工作电压也会更低）。

在半导体制造中经常需要用到低压（近真空）环境

等离子体的维持

等离子体中的带电粒子非常活泼，如果没有持续的能量输入，等离子体很快就会因为电子与离子的复合而消失。

当等离子体的产生速率（电离）与消耗速率（复合）相等时，等离子体会达到稳定状态。在稳态下，等离子体中的带电粒子浓度与温度、电子密度、以及元素种类有着密不可分的关系。

温度：作为原子电离的驱动力，温度越高会促进电离，因此带电粒子的浓度会随温度而上升。

电子密度：当电子密度变高时，电子与离子更容易撞在一起，因此电子跟离子的复合概率就会增加，导致带电粒子浓度的下降。

元素种类：不同的元素有不同的电离能，因此不同的元素中电子脱离原子核束缚的难易程度也不同。

Cs、Ar、He在不同温度和压力下的电离度

虽然产生等离子体（如击穿空气）需要很高的电压，但维持等离子体（自持放电）所需要的电压就小得多了。就像日光灯需要启辉器提供高电压才能点亮，但在点亮后在低电压也能工作一样。

传统日光灯的启动过程

这是因为在电子雪崩的过程中，除了高能电子会电离出新的自由电子，当正离子撞上阴极时也可能发射出新的电子（二次电子发射）。

由于二次电子发射会引发新的电子雪崩，因此只要用较低的电压维持住二次电子发射的强度，电离的过程就可以持续进行下去。

等离子体的应用：碰撞与激发

在等离子体中，有电子、离子、中性原子、气体分子等微观粒子，这些粒子之间不断地发生碰撞并交换能量。粒子间的碰撞分为两类：弹性碰撞和非弹性碰撞。

弹性碰撞主要发生在能量较低的碰撞过程中，在这种情况下，粒子之间只发生动能的交换，粒子的内能则不发生改变。

弹性碰撞示意图（点击查看动图）

而当碰撞过程的能量较高时，就会发生非弹性碰撞。比如当高速运动的电子撞击原子时，电子的部分动能会损失，而相对的，原子的内能会增大，从而可以处于被激发的状态。因此，非弹性碰撞是等离子体用于发光、化学反应等能量转化过程的核心机制。

非弹性碰撞示意图（点击查看动图）

那么受到非弹性撞击时，粒子的内能具体是怎么变化的呢？

当原子中各个电子处于一定的运动状态时，原子会具有某个确定的能量，这就是原子的能态。当没有外来作用时，原子中的电子在各自的稳定轨道上运动，此时原子处于基态。

当原子受到辐射或电子撞击等作用时，它的一个或几个电子就可能跃迁到较高的能级上去，此时原子就处于激发态。显然，激发的过程需要吸收的能量，而激发能的大小等于激发态能级和基态能级之差。

吸收能量后，电子可以从基态跳到能量更高的激发态

处于激发态的原子是不稳定的（一般只能存在1纳秒），因此很快会跃迁回能量较低的状态，多余的能量则以光子的形式释放出来。由于不同的原子有不同的能级，因此不同原子从激发态回落后释放出的光子能量也各不相同。也就是说，每个原子都有自己的特征谱线。

　　几种不同原子的特征光谱

如果基态原子获得的能量足够大，以至于可以使原子中的至少一个电子完全脱离原子核的束缚而成为自由电子时（与此同时原子变成了正离子），原子就发生了电离。电离出一个电子所需要的最低能量称为原子的第一电离能。

跟原子相比，等离子体中分子的情况更为复杂。当分子受到高能电子撞击时，除了发生激发和电离，还能发生解离（分子分解为原子或自由基）。

等离子体的应用：固体表面工程

由于等离子体具有极高的活性，且包含带电粒子，因此在外加电场的作用下能够实现定向移动和能量调控。

当等离子体中的各种高能粒子（如离子、自由基、激发态原子等）在与固体材料表面接触时，能够引发多种物理或化学反应。这一独特性质使得等离子体成为现代表面工程技术中的重要工具，广泛应用于材料改性、刻蚀、清洗、薄膜沉积等领域。

例如，当等离子体中的活性物质沉积到固体表面时，可以形成一层极薄的纳米涂层。虽然涂层的厚度很小，但却能够显著改变材料的表面性质，如疏水性（防水）、亲水性（促进润湿）、耐磨性、防腐蚀性、粘附性甚至表面导电性等，从而提升材料在特定应用场景中的性能。

等离子体轰击固体表面示意图

除了纯粹的物理去除作用，当等离子体中含有具有高反应活性基团（如 F⁻、O⁻、Cl⁻ 等）时，还能够与固体表面中的特定组分发生化学反应。

例如，氟等离子体可与硅反应生成挥发性产物 SiF₄，而氧等离子体可与有机污染物生成 CO₂ 和 H₂O，从而实现高选择性的化学刻蚀或等离子体清洗。这种物理与化学过程协同作用使等离子体工艺在微电子、光电、材料表面处理等领域具有不可替代的优势。

氢等离子体对塑料（PTFE）进行表面处理示意图

如果进一步升高等离子体的能量，那么它们不仅能够轰击表面原子，还可以穿透固体表层并嵌入材料内部晶格，从而改变材料的内部结构与性质。

　　等离子体注入示意图

相比传统的热扩散法，等离子体注入可通过精确控制离子束能量调节注入深度和浓度分布，具有更高的空间分辨率和更强的过程控制能力，因此已经成为了现代集成电路制造的一个关键工艺。

等离子体的应用：溅射制膜

等离子体不仅可以用来刻蚀（减材制造），也可以用来镀膜（增材制造）。

利用等离子体进行镀膜和刻蚀的原理是类似的：当高能等离子体轰击靶材时，会将靶材表面的原子“撞”出来（对靶材而言这是一个刻蚀过程）；当被撞出来的靶材原子重新沉积到另一目标表面时，对目标表面来说，这就是一个镀膜的过程。

这种利用等离子体将原子从靶材溅射出来并沉积到基片上的工艺，被称为等离子体溅射。

　　等离子体溅射示意

最早发展出的溅射技术是直流溅射。这种方法用直流电击穿低压气体中，并形成等离子体。随后，等离子体中的正离子在电场作用下加速轰击负极靶材，将靶材表面的原子溅射出来并沉积到基片上。

这种方法结构简单、稳定性高，但由于靶材需要同时作为负极使用（否则无法形成闭合回路），因此只适用于金属等导电材料，对于氧化物、陶瓷等非导电靶材就无能为力了。

直流溅射示意图

在直流溅射的基础上，又进一步发展出了交流溅射（射频溅射）的镀膜工艺。这种方法利用高频交流电，使带电粒子在等离子体中做周期性的往复运动（不再依赖传统的闭合回路），从而维持非导电靶材上的辉光放电。借助这一技术，绝缘材料也可以作为靶材进行溅射，使材料的选择范围大大拓展。

射频溅射示意图

虽然溅射靶材的选择性问题得到了解决，但直流溅射和射频溅射都存在沉积速度慢的问题。

为了改善等离子体溅射的制膜速率，可以进一步在靶材背后加入磁场。通过磁场约束电子运动，可以增加电子与气体分子之间的碰撞频率，从而提高等离子体密度，溅射效率也就随之增强了。

这种溅射方法就叫磁控溅射，它具有靶材利用率高、沉积速率快、膜层致密、附着力强等优点。

磁控溅射示意图

当然，除了用氩气（Ar）等惰性气体作等离子体，也可以加入氧气（O₂）、氮气（N₂）等反应性气体作为活性物质，这样溅射出的靶材原子在沉积过程中就会与等离子体发生反应，在基片上形成化合物薄膜。

这种工艺就叫反应性溅射，它突破了靶材本身的限制，使沉积材料的种类更加丰富多样，赋予薄膜材料无限的可能性。

等离子体溅射：蚂蚁表面镀金

附：等离子体与未来技术（一）：核聚变

如果说有什么技术能一劳永逸地解决人类的能源问题，那我肯定会投可控核聚变一票：取之不尽的燃料（海水中储量达45万亿吨氘）、超高的能量密度、稳定的产出能力、几乎零污染的环境友好性...

不过在畅想美好的未来之前，我们得先突破可控核聚变技术，而要突破这一技术，首先要解决一道数学题：核聚变输出能量需要>输入能量。要解决这个问题，就需要让核聚变工作在超高的温度下（超过1亿度）。

这看起来似乎不可能，别说1亿度了，现在人类能造出来的材料连1万度都承受不了，又怎么能做到在这么高的温度下控制核聚变呢？虽然人造材料承受不了，大自然中无处不在的电磁场却可以做到。

磁场中的带电粒子轨迹

当燃料被加热至1亿摄氏度以上时，原子中的原子核与电子会分离形成等离子体。由于电荷在电磁场中会受到力的作用，因此等离子体中的带电粒子在磁场中会沿磁力线做螺旋运动（磁化作用），从而被约束在一定的活动区域中。

中国科学院托卡马克装置中的等离子体

为了对带电粒子的运动产生尽可能强的约束，就需要非常强大的磁场；而为了避免维持强磁场而消耗大量的能量，就需要用到超导材料。这也正是为什么人们对超导技术如此关注的原因，因为它指向了一个实现能量自由的未来。

等离子体与未来技术（二）：太空推进器

如果在等离子体中插入一个绝缘体会发生什么？

在等离子体中，存在着大量的电子和正离子。由于电子的质量远小于离子，热运动的速度也更快，所以电子会更先撞击到绝缘体。

绝缘体不导电，撞到上面的电子就无法传导或耗散到其他地方，因此会逐渐积聚在绝缘体的表面上。

当负电荷积累到一定程度后，绝缘体表面会形成一个稳定的负电势区域（鞘层），限制电子的继续靠近（同性相斥），并对正离子产生吸引作用。

鞘层的存在一方面阻止了高能电子的逃逸，使等离子体能维持住准电中性，同时保护了设备的稳定性；另一方面，鞘层可以将正离子从等离子体中拉出来，并将它引向电场力更强的加速栅格。这正是离子推进器能够稳定工作的核心机制。

当正离子在栅格电场的作用下加速向低电势方向运动时，电能就被转化为了离子的动能。在推进器的出口处，离子的速度可以达到50km/s，甚至更高。当高速离子向外喷出时，就会产生反向的推力（动量守恒）。

虽然电功率的限制导致离子推进器的推力很有限，但是由于比冲很大（单位推进剂产生的动量很大），非常节省燃料，因此很适合用于长期作业。比如在火箭起飞时，需要用到大推力的化学燃料推进器，但当进入外太空进行深空巡航、姿态控制或者星际旅行时，就得用上离子推进器了。

搭载在航天器上的离子推进器

有形物质态:固态、液态、气态，三维世界空间。等离子态介于有型和无形的能量态之间，我把等离子态和其它能量离子(量子、场等)，归类为“高能量空间＂。

在我们生活的已知世界之外，一定存在一个平行的未知世界，我们把它称为高维能量空间。我们虽然属看不到这个世界，但静下心来，就会感觉到它传递给我们的能量信息。高维能量空间作如下概括如下:

①、高维能量空间，不同于现在流行的具有比三维更多空间维度的多维空间。高维是一种更高层次感悟认知维度，是一种信息的垄断和不对称。它是一个动态的，无形的，隐藏于稠密介质中的，由微粒子聚集而成能量团簇或能量场。物质分为两种：一种是我们传统认为的有分子和原子组成的物质，另一种则是各种场，比如电磁场、引力场、热场……，也是物质形态。

②、能量做功的方式主要以场强，形成势能，对其范围的自然界存在物体做功；

③、高维能量空间包括容纳包括三维实体世界之外的所有未知部分。

④、人类与高维能量空间的信息交流，目前由心灵（灵魂）思维完成。并籍由灵魂，传达给现实世界，从而在现实世界加以理解和验证。