在不同氩气压力下，用于制备含氟聚合物PFA目标材料的疏水性薄膜的射频磁控管等离子体的空间结构

《Vacuum》：Spatial structure of a radio-frequency magnetron plasma at various Ar gas pressures for hydrophobic film preparation with a fluoropolymer PFA target

电子磁特性分析与离子饱和电流分布的关联性研究。通过热Langmuir探针在0.1-0.5 Pa氩气压力下测量聚四氟乙烯靶材的离子饱和电流分布，结合二维磁场模拟发现：电子回旋半径在磁极间最小（<1mm），霍尔参数峰值区域（>100）与电流峰值位置（30mm）吻合。高压下（0.3/0.5Pa）电流出现双峰（中心0mm和磁极间30mm），源于E×B漂移增强及碰撞效应抑制电子输运。磁场分布特性通过模拟计算得出径向磁场峰值65mT，轴向峰值115mT，总场沿轴向衰减显著。离子扩散系数与气体压力成反比，压力升高（0.1→0.5Pa）导致扩散特征长度增加25%（25→29mm）。实验证实等离子体均匀性随压力升高而改善，斜率由7.9×10?3增至9.0×10?3 mm?1。

　　在现代科技的发展中，热能的高效利用成为了一个重要的研究方向。尤其是在工业生产过程中，大量未被充分利用的热能往往以低于100°C的温度形式存在，这为开发新型热能回收技术提供了广阔的空间。这类低温度热能来源包括地热热水和海洋热梯度等，具有显著的全球应用潜力。为了将这些热能有效转化为电力，热能发动机成为一种关键的技术手段。然而，在实际应用中，热能发动机的性能往往受到热交换器结构的限制。特别是板式冷凝器，其在热能发动机中被广泛用于冷凝工作流体蒸汽，但在狭窄的板间流道中，冷凝液膜成为主要的热阻因素，从而降低了整体的热传导效率。

为了解决这一问题，研究者们开始关注表面润湿性对热交换器性能的影响。通过使用疏水性涂层，可以有效降低液膜的热阻，提高热交换效率。这方面的研究显示，混合疏水和亲水表面涂层对液滴冻结和霜形成过程具有显著影响。同时，超疏水性鳍片表面的使用也被证明能够增强空气侧的热传导性能。这些研究为热交换器的设计优化提供了理论依据和实践指导，尤其是在提升其在低温条件下的运行效率方面。

在实现疏水性涂层的过程中，多种技术被广泛应用于热交换器表面的处理。这些技术包括湿法处理和干法处理等。湿法处理通常涉及将材料浸入溶液中进行涂层，而干法处理则通过物理气相沉积（PVD）等方法直接在基材表面形成薄膜。这两种方法各有优劣，湿法处理虽然可以形成较厚的涂层，但容易出现附着力差的问题，而干法处理则能够提供更强的附着力，因为其沉积过程主要依靠原子和分子的物理附着。因此，选择合适的涂层技术对于确保热交换器的长期稳定运行至关重要。

在这些涂层技术中，射频磁控溅射（RF magnetron sputtering）因其能够在高温和高真空环境下实现高质量薄膜的沉积而受到重视。然而，由于使用氟聚合物靶材（如PFA）时，沉积的薄膜通常不具备导电性，这使得通过朗缪尔探针测量等离子体密度变得困难。为了解决这一问题，研究者们采取了加热朗缪尔探针的方法，以避免在测量过程中因薄膜沉积而影响探针的性能。这种方法通过将探针加热至约900°C，维持其表面的清洁，从而确保测量数据的准确性。

本研究中，通过移动加热的朗缪尔探针，测量了不同氩气压力（0.1, 0.3, 0.5 Pa）下射频磁控溅射等离子体中离子饱和电流的空间分布。研究发现，当氩气压力为0.1 Pa时，离子饱和电流的径向分布呈现出一个峰值，位于靶材中心磁体和外磁体之间的区域，随着距离靶材的增加，该分布逐渐趋于均匀。而在0.3 Pa和0.5 Pa的条件下，离子饱和电流的分布则出现了两个峰值，分别位于电极中心和中心磁体与外磁体之间的区域。这一现象表明，离子的分布受到多种因素的影响，包括磁体的磁场分布、电场的相互作用以及气体压力对等离子体行为的调控。

进一步的分析表明，离子饱和电流的分布与电子的磁化特性密切相关。电子的磁化特性可以通过洛伦兹半径（Larmor radius）和霍尔参数（Hall parameter）来表征。这些参数的计算基于模拟的磁场分布，特别是径向和轴向磁场分量。研究发现，电子的洛伦兹半径在中心磁体和外磁体之间达到最小值，而霍尔参数则在该区域达到峰值。这一结果表明，电子在该区域的运动受到较强的磁场约束，其运动轨迹主要沿着磁场线进行，而这种运动模式对离子的分布产生了重要影响。

此外，电子的运动还受到电场的影响。在射频磁控溅射过程中，电场与磁场的相互作用导致了电子的E×B漂移运动。这种漂移运动在中心磁体与外磁体之间的区域尤为显著，因为该区域的磁场较强，而电场的分布则相对均匀。通过分析离子饱和电流的分布，可以发现其峰值位置与E×B漂移运动的强度密切相关。在较低的氩气压力下，E×B漂移运动的主导作用使得离子饱和电流的峰值出现在中心磁体与外磁体之间，而在较高的氩气压力下，由于碰撞效应的增强，离子的分布呈现出两个峰值。

碰撞效应在等离子体中扮演着至关重要的角色。随着氩气压力的增加，电子与中性气体原子的碰撞频率也随之提高，这会显著影响电子的运动模式和能量分布。在较高压力下，电子的运动受到更强的碰撞限制，导致其无法有效穿越磁场线，从而在电极中心区域形成较高的离子饱和电流。这种现象表明，碰撞效应不仅影响电子的运动轨迹，还对离子的分布和沉积过程产生深远的影响。

研究还发现，离子饱和电流的均匀性与氩气压力之间存在一定的关系。随着氩气压力的增加，离子饱和电流的径向分布变得更加均匀。这种均匀性的提升可能与等离子体中电子和离子的平衡有关。在较高压力下，电子的碰撞频率增加，导致电子和离子的传输行为趋于一致，从而减少了离子在特定区域的聚集。因此，调整氩气压力可以有效优化离子的分布，进而提升沉积薄膜的均匀性和性能。

通过这些研究，我们可以看到射频磁控溅射等离子体中离子饱和电流的空间分布不仅受到磁场和电场的调控，还与气体压力密切相关。这些因素共同作用，决定了离子在沉积过程中的行为，进而影响最终薄膜的性质。理解这些机制对于优化等离子体沉积工艺、提高薄膜质量以及实现热交换器的高效运行具有重要意义。此外，这些研究也为未来开发更高效的热能回收系统提供了理论基础和技术支持。