一維納米結構極化增強放電電極的製作方法
2023-06-29 03:53:16
專利名稱：一維納米結構極化增強放電電極的製作方法
技術領域：
本發明涉及一种放電電極，尤其涉及一種電場極化增強的放電電極。
背景技術：
等離子體是由帶電粒子、基態中性粒子、亞穩態中性粒子和激發態中性粒子組成的，其物質輸運過程、能量輸運過程、電磁輻射過程和帶電粒子動量轉移過程在許多領域有重要應用，例如等離子體材料加工、雷射光源、等離子體混合、電子-離子源、等離子體控制等。利用氣體放電產生等離子體是一種最為常見的等離子體產生方法，具有裝置簡單、等離子體參數可控性較高等優勢。氣體放電一般是指在電場作用下使氣體電離，形成能導電的電離氣體，即等離子體。常規的做法是在一對電極(陰極和陽極)之間產生高場強的電場以使電極之間的氣體被電離，形成等離子體。常用的等離子體生成方法可以分為兩大類，即直流放電和交流放電。其中，直流放電包括直流輝光放電、空心陰陰放電、直流脈衝放電、電弧放電和磁控管放電，交流放電包括電容耦合放電、感應耦合放電、介質阻擋放電、微波放電和表面波放電。而無論採用哪种放電模式產生等離子體，設計合適的電極都是重要的。隨著納米技術的發展，實驗研究發現，可以利用一維納米結構製作電極或者修飾電極以用於電離氣體(或液體)，產生等離子體。這一方法能夠降低氣體放電的操作電壓，從而使等離子體供電裝置能被繼續簡化。目前這一技術被廣泛用於電離傳感器這一電子器件的研發領域。其中的一維納米結構是指具有較大長徑比的類似棒狀、帶狀、管狀和/或線狀的納米結構，一般其橫向線徑小於lOOnm。常用的一維納米結構例如碳納米管、氧化鋅納米線、氧化錫納米條帶等。我們發現在這一技術的公開文獻中，主要是將一維納米結構引入到空洞電極的電極空腔結構中，或者是將一維納米結構設置在陰極和陽極的表面。例如將碳納米管引入空洞陰極，形成由碳納米管這種很有代表性的一維納米材料作為空洞陰極的空洞陰極放電等離子體器件，這種器件可以提高器件作為等離子體源的性能，例如可以降低工作電壓、提高光輻射產額。再例如將一維納米結構被設置在陰、陽金屬電極的表面，其發明人認為這一設置具有降低場致電離工作電壓的作用。但是，我們發現在上述這些設置中，一維納米結構是作為電極的一部分而直接地與等離子體發生相互作用的，這樣，一維納米結構在工作中將很容易受到粒子轟擊、焦耳熱和電磁輻射等效應的影響而發生變質，甚至導致其損傷失效。因此，本領域的技術人員致力於開發一種電場極化增強的放電電極，在使用一維納米結構增強電場極化的同時減少以至避免產生的等離子體對一維納米結構的損傷。
發明內容
有鑑於現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種電場極化增強的放電電極，其使用一維納米結構構成的增強電場極化的結構，且其工作時能減少以至避免其產生的等離子體對一維納米結構的損傷。為實現上述目的，本發明提供了一種電場極化增強的放電電極，包括陰極和陽極，其特徵在於，所述陰極和所述陽極之間設置有電場極化增強結構，所述電場極化增強結構由一維納米結構構成，所述電場極化增強結構與所述陰極和所述陽極皆不接觸。進一步地，所述電場極化增強結構是單個的所述一維納米結構或多個所述一維納米結構的排列。可選地,所述一維納米結構是半導體材料的納米帶、納米線、納米棒、納米針或納米管。進一步地，所述一維納米結構的表面覆蓋有導體材料的薄膜、納米顆粒或比所述一維納米結構小的一維納米結構；或者所述一維納米結構的表面覆蓋有絕緣材料的薄膜、納米顆粒或比所述一維納米結構小的一維納米結構；或者所述一維納米結構的表面覆蓋有絕緣材料的薄膜，所述絕緣材料的薄膜的表面覆蓋有導電材料的薄膜、納米顆粒或比所述一維納米結構小的一維納米結構；或者所述一維納米結構的表面覆蓋有半導體材料的薄膜或納米顆粒，所述半導體材料的薄膜或納米顆粒的表面覆蓋有半導體材料的比所述一維納 米結構小的一維納米結構；或者所述一維納米結構的表面覆蓋有導體材料的薄膜，所述導體材料的薄膜的表面覆蓋有絕緣材料的薄膜。可選地,所述一維納米結構是導體材料的納米帶、納米線、納米棒、納米針或納米管。進一步地，所述一維納米結構的一個端部的表面覆蓋有半導體材料的薄膜，所述半導體材料的薄膜的表面覆蓋有半導體材料的薄膜；或者所述一維納米結構的一個端部的表面覆蓋有絕緣材料的薄膜。可選地,所述一維納米結構是絕緣材料的納米帶、納米線、納米棒、納米針或納米管，所述一維納米結構的表面覆蓋有導體或半導體材料的薄膜、納米顆粒或比所述一維納米結構小的一維納米結構。進一步地，所述陰極和所述陽極是單個電極或多個電極的組成的電極陣列。進一步地，所述陽極的表面具有第一一維納米結構，所述第一一維納米結構與所述一維納米結構相同或不同。進一步地，所述陰極的表面具有第二一維納米結構，所述第二一維納米結構與所述一維納米結構相同或不同。進一步地，所述陰極、所述陽極和所述電場極化增強結構設置在支撐結構上，所述陽極到所述電場極化增強結構之間的距離以及所述陰極到所述電場極化增強結構之間的
距離皆可調。在本發明的較佳實施方式中，提供了一種包括陰極、陽極和兩者之間的電場極化增強結構的電場極化增強的放電電極。其中電場極化增強結構由一維納米結構構成，其與陰極和陽極皆不接觸。並且在本發明的較佳實施方式中提出了九種利用一維納米結構構造的電場極化增強結構的結構及相應的電場極化增強的放電電極的結構和製備方法。在使用本發明的電場極化增強的放電電極時，其中陰極、陽極和電場極化增強結構之間的間隙內充填氣體或液體(放電氣體或液體)，構成電場極化增強結構的一維納米結構的至少一個端部與該放電氣體或液體接觸。施加電壓於本發明的電場極化增強的放電電極的陰極和陽極，兩者之間的氣體或液體中將產生電場(可以稱為背景電場)，於是電場極化增強結構中的一維納米結構受到電場的極化而產生正、負電荷的分離。由於一維納米結構的尖端效應，即便在很小的背景電場條件下，納米結構中電荷分離所產生的電場強度也可以非常強。這樣，在電場極化增強結構與陽極和陰極之間，以及在電場極化增強結構內部每相鄰的兩個一維納米結構之間，就形成了一電容結構。其中，放電氣體或液體在電容的極板之間，極板中的一邊或者兩邊是一維納米結構。由此所產生的高度不均勻的電場能夠對電容內部的氣體或者液體分子產生很強的不均勻極化，有一定機率被納米結構捕獲發生非彈性碰撞，從而成為亞穩態粒子。大量的亞穩態粒子在電場極化增強結構周圍區域產生，能夠通過分步電離、直接電離或者潘寧過程等機制影響氣體放電過程，使得電荷分離過程在更低的電壓之下實現。由此可見，本發明的電場極化增強的放電電極的電場極化增強結構不與陽極和陰極相接觸且不構成放電迴路的一部分，因此電場極化增強結構中的一維納米結構的各種對放電的有益效果可以在不作為電極的情況下實現，這樣就避免了各種電極上的等離子體過程對其造成的損害。當然，當等離子體密度很高的高電導情況下，電場極化增強結構傾向於作為電極參與放電，此時，本發明的優勢在於，擴大了一維納米結構對氣體放電產生有益影響的空間範圍。因此，本發明的電場極化增強的放電電極通過將由一維納米結構構成的電場極化增強結構設置在陰極與陽極之間的區域，通過兩極之間的電場使一維納米結構極·化並由此產生不均勻電場，能夠通過形成亞穩態粒子群降低產生等離子體所需要的工作電壓，並且有利於在高氣壓氣體和液體中製造擴散性大範圍等離子體，還能夠避免傳統技術中由於氣體放電或者液體放電過程中各種輻射和粒子轟擊效應對電極上設置的納米結構的損害，由此有利於維持一維納米結構有益效果的穩定性並延長使用壽命。此外，還能利用某些一維納米陣列結構的疏水特性對液態樣本進行等離子體激發和化學檢測。以下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發明的目的、特徵和效果。
圖I是本發明的電場極化增強的放電電極在第一個實施例中的結構示意圖；圖2是本發明的電場極化增強的放電電極在第二個實施例中的結構示意圖；圖3是本發明的電場極化增強的放電電極在第三個實施例中的結構示意圖；圖4是圖3中的電場極化增強結構的第一種結構的結構截面圖，顯示了其中的一維納米結構；圖5是圖3中的電場極化增強結構的第二種結構的結構截面圖，顯示了其中的一維納米結構；圖6是圖3中的電場極化增強結構的第三種結構的結構截面圖，顯示了其中的一維納米結構；圖7是本發明的電場極化增強的放電電極在第四個實施例中的結構示意圖；圖8是圖7中的電場極化增強結構的第一種結構的結構截面圖，顯示了其中的一維納米結構；圖9是圖7中的電場極化增強結構的第二種結構的結構截面圖，顯示了其中的一維納米結構；圖10是圖7中的電場極化增強結構的第三種結構的結構截面圖，顯示了其中的一維納米結構；圖11是本發明的電場極化增強的放電電極在第五個實施例中的結構示意圖；圖12是圖11中的電場極化增強結構的第一種結構的結構截面圖，顯示了其中的一維納米結構；圖13是圖11中的電場極化增強結構的第二種結構的結構截面圖，顯示了其中的一維納米結構；圖14是圖11中的電場極化增強結構的第三種結構的結構截面圖，顯示了其中的一維納米結構；圖15是本發明的電場極化增強的放電電極在第六個實施例中的結構示意圖； 圖16是圖15中的電場極化增強結構的第一種結構的結構截面圖，顯示了其中的一維納米結構；圖17是圖15中的電場極化增強結構的第二種結構的結構截面圖，顯示了其中的一維納米結構；圖18是圖15中的電場極化增強結構的第三種結構的結構截面圖，顯示了其中的一維納米結構；圖19是本發明的電場極化增強的放電電極在第七個實施例中的結構示意圖；圖20是圖19中的電場極化增強結構的第一種結構的結構截面圖，顯示了其中的一維納米結構；圖21是圖19中的電場極化增強結構的第二種結構的結構截面圖，顯示了其中的一維納米結構；圖22是圖19中的電場極化增強結構的第三種結構的結構截面圖，顯示了其中的一維納米結構；圖23是圖19中的電場極化增強結構的第四種結構的結構截面圖，顯示了其中的一維納米結構。
具體實施例方式第一個實施例圖I給出了本發明的電場極化增強的放電電極在第一個實施例中的結構示意圖，在本實施例中，本發明的電場極化增強的放電電極包括陽極101、陰極102和兩者之間的電場極化增強結構103。其中，電場極化增強結構103是單個的一維納米結構。陽極101、陰極102和電場極化增強結構103皆設置在支撐結構104上，陽極101和陰極102之間具有間隙；電場極化增強結構103與陽極101和陰極102皆不接觸，陽極101與電場極化增強結構103之間為第一間距，陰極102與電場極化增強結構103之間為第二間距。第一間距和第二間距的大小可以根據使用需求設定。本實施例中，陽極101和陰極102皆為單個的金屬電極；支撐結構104是玻璃基片；電場極化增強結構103的一維納米結構是單個金屬性的高電導率多壁碳納米管，其平行於作為支撐結構104的玻璃基片，兩個端部分別與陽極101和陰極102對準。可以使用微細加工方法製備本實施例中的電場極化增強的放電電極，具體步驟包括在作為支撐結構104的玻璃基片上形成電極層，電極層為50nm厚度的鉻及其上的300nm厚度的銅；通過光刻和刻蝕工藝在作為支撐結構104的玻璃基片上形成陽極101和陰極102，並控制各部分結構的相對位置，本實施例中的陽極101和電場極化增強結構103之間的第一間距為10微米，陰極102和電場極化增強結構103之間的第二間距為10微米。使用本實施例中的電場極化增強的放電電極時，在其中陽極101和陰極102之間的間隙內填充氬氣。這樣，電場極化增強結構103(即金屬性的高電導率多壁碳納米管)兩個端部皆暴露在間隙內的氬氣中，其餘的部分也可以暴露於氬氣中。通過對陽極101和陰極102施加電壓，電場極化增強的放電電極開始工作，陽極101和陰極102之間出現電勢降，進而在間隙內的氬氣中形成靜電場，碳納米管的的兩個端部受到電場極化的作用而發生電荷分離，正、負電荷集中分布於其兩個端部的尖端區域。當電場強度大於放電起始電壓，空氣發生放電。由於本實施例中的一維納米結構的電場增強作用，本實施例中的電場極化增強的放電電極的氣體放電電壓比不具有電場極化增強結構的現有技術的放電電極的情況降低4倍。第二個實施例圖2給出了本發明的電場極化增強的放電電極在第二個實施例中的結構示意圖，在本實施例中本發明的電場極化增強的放電電極包括陽極201、陰極和兩者之間的電場極化增強結構203。其中，電場極化增強結構203是多個一維納米結構的排列。陽極201、陰極和電場極化增強結構203皆設置在支撐結構204上；電場極化增強結構203與陽極201和陰極皆不接觸，陽極201與電場極化增強結構203之間具有第一間隙，陰極與電場極化增強結構203之間具有第二間隙。第一間隙和第二間隙的大小可以根據使用需求設定。本實施例中，陽極201為單個的金屬電極；陰極為多個如陰極單元202的陰極單元的排列，各陰極單元皆為金屬電極，其中每個陰極單元的表面皆具有第二一維納米結構作為第二納米修飾結構，如陰極單元202的表面的第二納米修飾結構205 ;第二一維納米結構與電場極化增強結構中的一維納米結構可以相同也可以不同，本實施例中為碳納米管；支撐結構204是玻璃基片；電場極化增強結構203中的一維納米結構是半導體氧化鋅納米棒，其垂直於支撐結構204的玻璃基片，其一個端部與該玻璃基片接觸。可以使用微細加工方法製備本實施例中的電場極化增強的放電電極，具體步驟包括在作為支撐結構204的玻璃基片上形成電極層，電極層為50nm厚度的磁控濺射鉻及其上的15微米的電鍍黃銅；而後通過光刻和刻蝕工藝在作為支撐結構204的玻璃基片上形成 陽極201和陰極，並控制各部分結構的大小及相對位置。本實施例中，陽極201為10微米寬、I毫米長的鉻/金金屬條；如陰極單元202的各陰極單元為10微米寬、I毫米長的鉻/金金屬條，其間距為100微米；通過絲網印刷方法在如陰極單元203的各陰極單元的表面形成碳納米管的如第二納米修飾結構205的各第二納米修飾結構；通過水熱化學方法沉積半導體氧化鋅納米棒形成電場極化增強結構203，電場極化增強結構203即半導體氧化鋅納米棒的沉積區域，其長、寬各皆4毫米，其中的半導體氧化鋅納米棒的高度為10微米、直徑為50納米。使用本實施例中的電場極化增強的放電電極時，其中陽極201和電場極化增強結構203之間的第一間隙以及陰極和電場極化增強結構203之間的第二間隙內填充著常壓空氣。這樣，電場極化增強結構203的各氧化鋅納米棒的另一個端部皆暴露在間隙內的空氣中，其餘的部分也可以暴露於空氣中。通過對陽極201和陰極施加電壓，電場極化增強的放電電極開始工作。空氣中的中性粒子被不均勻電場極化，並以一定機率被碳納米管的第二電極修飾結構捕獲，發生非彈性碰撞，並產生亞穩態粒子群。此外，碰撞過程以一定機率將氧分子和氮分子變為氧原子和氮原子，氣體化學活性大大提高。利用Andor公司的DHT334i系列像增強電容耦合元件照相機(ICCD)和Shamlock系列光譜儀對該結構放電特性進行檢測，發現了氧氣原子和氮氣原子的複合發射譜線，證明了本發明所描述的技術方案在提高等離子體化學活性方面的重要應用前景。第三個實施例圖3-6給出了本發明的電場極化增強的放電電極在第三個實施例中的結構示意圖以及其中的電場極化增強結構的三種結構的結構截面示意圖，在本實施例中本發明的電場極化增強的放電電極包括陽極、陰極302和兩者之間的電場極化增強結構303。其中，電場極化增強結構303是多個的一維納米結構的排列。陽極、陰極302和電場極化增強結構303皆設置在支撐結構304上；電場極化增強結構303與陽極和陰極302皆不接觸，陽極與電場極化增強結構303之間具有第一間隙，陰極302與電場極化增強結構303之間具有第二間隙。第一間隙和第二間隙的大小可以根據使用需求設定。 本實施例中，陽極為多個如陽極單元301的陽極單元的排列，各陽極單元皆為金屬電極，其中每個陽極單元的表面皆具有第一一維納米結構作為第一納米修飾結構，如陽
極單元301的表面的第一納米修飾結構304 ;第--維納米結構與電場極化增強結構中的
一維納米結構可以相同也可以不同，在本實施例中為碳納米管；陰極302為單個的金屬電極；支撐結構304是矽基片，覆蓋有I微米厚度的氮化矽絕緣層；電場極化增強結構303中的一維納米結構是絕緣材料的納米棒，本實施例中採用的是SU-8光刻膠的納米棒，其表面覆蓋有導電材料的薄膜、納米顆粒或比其小的一維納米結構，分別如圖4-6所示，其垂直於支撐結構304的娃基片,其一個端部與支撐結構304接觸。如圖4所示，作為一維納米結構的SU-8光刻膠的納米棒313的表面覆蓋有導電材料的薄膜，其中導電材料的薄膜為鉻薄膜317。如圖5所示，作為一維納米結構的SU-8光刻膠的納米棒323的表面覆蓋半導體材料的納米顆粒327，其中納米顆粒327為氧化鋅納米顆粒。如圖6所示，作為一維納米結構的在SU-8光刻膠的納米棒333的表面覆蓋比SU-8光刻膠的納米棒333小的一維納米結構337 (即一維納米結構337比SU-8光刻膠的納米棒333更短更細)，其中一維納米結構337為氧化鋅納米棒。可以使用微細加工方法製備本實施例中的電場極化增強的放電電極，具體步驟包括在支撐結構304上形成電極層，例如50nm厚度的磁控濺射的鉻及其上的2微米的電鍍黃銅；而後通過光刻和刻蝕工藝在支撐結構304上形成陽極和陰極302，並控制各部分結構的大小及相對位置。本實施例中，如陽極單元302的各陽極單元為50微米寬、2毫米長的鉻/金金屬條，其呈輻射狀展開；陰極302為半徑350微米寬的鉻/金金屬條。通過化學氣相沉積方法在如陽極單元301的各陽極單元的表面形成半導體性的碳納米管陣列作為如第一納米修飾結構305的各第一納米修飾結構；使用納米壓印以及等離子體刻蝕製備SU-8光刻膠的納米棒以形成電場極化增強結構303，SU-8光刻膠的納米棒的高度為100納米、直徑為10納米；在該SU-8光刻膠的納米棒的表面覆蓋導電材料的薄膜、納米顆粒或更小的一維納米結構，如厚度為I納米的鉻薄膜、直徑為10納米的氧化鋅納米顆粒或直徑為I納米、間距為3納米的氧化鋅納米棒；陽極與電場極化增強結構303之間的第一間隙為3毫米，陰極302與電場極化增強結構303之間的第二間隙為3毫米。本實施例中的電場極化增強的放電電極構成了陽極柱噴流設備的等離子體發生單元。其中，使用圖5所示的電場極化增強結構303的電場極化增強的放電電極可以在457V使氣體發生電離，使用圖6所示的電場極化增強結構303的電場極化增強的放電電極可以在435V使氣體發生電離，使用圖7所示的電場極化增強結構303的電場極化增強的放電電極可以在443V使氣體發生電離。使用本實施例中的電場極化增強的放電電極構成的陽極柱噴流設備的等離子體發生單元能產生周期為100毫秒量級的正柱和放電電流脈衝，原子發射譜測量表明，有第二殼層電子退激產生的電磁輻射，說明該器件在等離子體處理領域的應用前景。第四個實施例圖7-10給出了本發明的電場極化增強的放電電極在第四個實施例中的結構示意圖以及其中的電場極化增強結構的三種結構的結構截面示意圖，在本實施例中本發明的電場極化增強的放電電極包括陽極、陰極和兩者之間的電場極化增強結構403。其中，電場極·化增強結構403是多個一維納米結構的排列。陽極、陰極和電場極化增強結構403皆設置在支撐結構404上；電場極化增強結構403與陽極和陰極皆不接觸，陽極與電場極化增強結構403之間具有第一間隙，陰極與電場極化增強結構403之間具有第二間隙。第一間隙和第二間隙的大小可以根據使用需求設定。本實施例中，陽極為多個如陽極單元401的陽極單元的排列，各陽極單元皆為金屬電極，其中每個陽極單元的表面皆具有第一一維納米結構作為第一納米修飾結構，如陽
極單元401的表面的第一納米修飾結構405，第--維納米結構與電場極化增強結構中的
一維納米結構可以相同也可以不同；陰極為多個如陰極單元402的陰極單元的排列，各陰極單元皆為金屬電極，其中每個陰極單元的表面皆具有第二一維納米結構作為第二納米修飾結構，如陰極單元401的表面的第二納米修飾結構406，第二一維納米結構與電場極化增
強結構中的一維納米結構可以相同也可以不同；本實施例的第--維納米結構和第二一維
納米結構皆為氧化鋅納米棒的陣列；支撐結構404是矽基片，覆蓋有2微米厚度的氮化矽絕緣層，且在氮化矽絕緣層之上、在如陽極單元401的各陽極單元和如陰極單元402的各陰極單元之下具有厚度為8微米的聚醯亞胺薄膜；電場極化增強結構403中的一維納米結構是半導體材料的納米棒，本實施例中採用的是氧化鋅納米棒，其表面覆蓋有導體材料的薄膜、納米顆粒或比所用的氧化鋅納米棒小的一維納米結構，分別如圖8-10所示，其垂直於支撐結構404的娃基片,其一個端部與支撐結構404接觸。如圖8所示，作為一維納米結構的氧化鋅納米棒413的表面覆蓋有導體材料的薄膜，其中導體材料的薄膜為鉻薄膜417。如圖9所示，作為一維納米結構的氧化鋅納米棒423的表面覆蓋導體材料的納米顆粒427，其中納米顆粒427為金納米顆粒。如圖10所示，作為一維納米結構的氧化鋅納米棒433的表面覆蓋比氧化鋅納米棒433小的一維納米結構437 (即一維納米結構437比氧化鋅納米棒433更短更細)，其中一維納米結構437為氧化鋅納米棒。可以使用微細加工方法製備本實施例中的電場極化增強的放電電極，具體步驟包括在支撐結構404上形成電極層，電極層為IOOnm厚度的鉻及其上的15微米的電鍍紅銅；而後通過光刻和刻蝕工藝在支撐結構404上形成陽極和陰極，並控制各部分結構的大小及相對位置。如陽極單元401的各陽極單元和如陰極單元402的各陰極單元的長度和寬度皆為800微米，陽極單元和陰極單元的數量皆為3個，相鄰陽極單元之間的間距為600微米，相鄰陰極單元之間的間距為I毫米；通過水熱法在如陽極單元401的各陽極單元的表面和如陰極單元402的各陰極單元的表面製備並通過微加工方法圖形化氧化鋅納米棒的陣列，其中的氧化鋅納米棒垂直於陽極及陰極的表面、高度為10微米、等效直徑約為50納米；利用相同方法生長的氧化鋅納米棒形成電場極化增強結構403，在該氧化鋅納米棒的表面覆蓋導體材料的薄膜、納米顆粒或更小的一維納米結構，如厚度為3納米的鉻薄膜、直徑為20納米的金納米顆粒或直徑為5納米、長度為100納米的氧化鋅納米棒；陽極與電場極化增強結構403之間的第一間隙為100微米，陰極與電場極化增強結構403之間的第二間隙為100微米，陽極和陰極之間的距離為220微米。本實施例中的電場極化增強的放電電極構成可以對液態低電導率材料進行發射光譜檢驗的器件，通過在液體中的放電過程激發等離子體，每種採用圖8、圖9或者圖10所示電場極化增強結構303的器件都能夠產生與液態樣本分子結構有關的發射譜，可以通過 ICCD和光譜儀探測到，並可以用於甄別液態樣本的成分。使用時，對使用圖8所示的電場極化增強結構303的放電電極之間填充去離子水樣本、人體血液樣本和摻入2mmol/l濃度酒精的人體血液樣本。對使用圖9所示的電場極化增強結構303的放電電極之間填充去離子水、甲醇和丙酮，對使用圖10所示的電場極化增強結構303的放電電極之間填充自來水、I mmol/ 氯化銅水溶液和lmmol/1硫酸鐵溶液。在放電電極上施加3. 5kV脈衝直流電壓,脈寬 IOms0第五個實施例圖11-14給出了本發明的電場極化增強的放電電極在第五個實施例中的結構示意圖以及其中的電場極化增強結構的三種結構的結構截面示意圖，在本實施例中，本發明的電場極化增強的放電電極包括陽極501、陰極502和兩者之間的電場極化增強結構503。其中，電場極化增強結構503是多個一維納米結構的陣列。陽極501、陰極502和電場極化增強結構503皆設置在支撐結構504上；電場極化增強結構503與陽極501和陰極502皆不接觸，陽極501與電場極化增強結構503之間為具有第一間隙，陰極502與電場極化增強結構503之間具有第二間隙。第一間隙和第二間隙的大小可以根據使用需求設定。本實施例中，陽極501和陰極502皆為單個的金屬電極；支撐結構504是玻璃基片；電場極化增強結構503中的一維納米結構是半導體材料氧化鋅納米棒，其垂直於作為支撐結構504的玻璃基片，其一個端部與該玻璃基片接觸，其表面覆蓋有絕緣材料的薄膜、納米顆粒或比所用的氧化鋅納米棒小的一維納米結構，分別如圖12-14所示。如圖12所示，作為一維納米結構的氧化鋅納米棒513的表面覆蓋有絕緣材料的薄膜，其中絕緣材料的薄膜517為氧化鋁薄膜。如圖13所示，作為一維納米結構的氧化鋅納米棒523的表面覆蓋絕緣材料的納米顆粒527，其中納米顆粒527為聚氨酯納米顆粒。如圖14所示，作為一維納米結構的氧化鋅納米棒533的表面覆蓋比氧化鋅納米棒533小的一維納米結構537 (即一維納米結構537比氧化鋅納米棒533更短更細)，其中一維納米結構537為SU-8納米線；另外，氧化鋅納米棒533部分(包括其與支撐結構相接觸的部分)掩埋在SU-8膠538中，以保護其不與氣體或者等離子體直接接觸。可以使用微細加工方法製備本實施例中的電場極化增強的放電電極，具體步驟包括在作為支撐結構504的玻璃基片上形成電極層，電極層為50nm厚度的鉻及其上的300nm厚度的銅；通過光刻和刻蝕工藝在作為支撐結構504的玻璃基片上形成陽極501和陰極502，並控制各部分結構的相對位置。本實施例中，陽極501和電場極化增強結構503之間的第一間隙為400微米，陰極502和電場極化增強結構503之間的第二間隙為400微米，電場極化增強結構503的長度為I毫米、寬度為300微米(即氧化鋅納米棒的陣列的分布區域的長度為I毫米、寬度為300微米)，其中的氧化鋅納米棒的高度為15微米、直徑為100納米、間距為150納米，在該氧化鋅納米棒的表面覆蓋絕緣材料的薄膜、納米顆粒或更小的一維納米結構，如厚度為8納米的氧化鋁薄膜、直徑為10納米的聚氨酯納米顆粒或通過納米壓印方法製備的SU-8納米線，其平均直徑為10納米，平均高度為50納米。 本實施例中的電場極化增強的放電電極構成了一種能夠對霧化液態樣本的流體進行光譜化學分析的器件結構，在工作中，在玻璃基片背面(無納米結構的一面)設置半導體製冷片，使得基片表面溫度比環境溫度下降10攝氏度，環境溫度為31攝氏度，將霧化後的液態樣本以空氣作為載氣通過器件的表面，部分霧化液滴在極化增強結構504的表面發
生凝露，形成微小的液滴，由於納米結構形成疏水性表面，液滴為球形，並不會流入納米結構尖端以下的區域。加載I. 5kV的電壓，使得液滴在強極化和氣體放電雙重作用下發生碎裂，形成大量的激發態和亞穩態粒子，通過光譜分析，可以得到液體樣本的豐富的分子鍵和原子發射譜線。第六個實施例圖15-18給出了本發明的電場極化增強的放電電極在第六個實施例中的結構示意圖以及其中的電場極化增強結構的三種結構的結構截面示意圖，在本實施例中，本發明的電場極化增強的放電電極包括陽極601、陰極602和兩者之間的電場極化增強結構603。其中，電場極化增強結構603是多個一維納米結構的陣列。陽極601、陰極602和電場極化增強結構603皆設置在支撐結構604上；電場極化增強結構603與陽極601和陰極602皆不接觸，陽極601與電場極化增強結構603之間具有第一間隙，陰極602與電場極化增強結構603之間具有第二間隙。第一間隙和第二間隙的大小可以根據使用需求設定。本實施例中，陽極601和陰極602皆為單個的金屬電極，陽極601的表面具有第
--維納米結構作為第一納米修飾結構605，第--維納米結構與電場極化增強結構603
中的一維納米結構可以相同也可以不同，陰極602的表面具有第二一維納米結構作為第二納米修飾結構606，第二一維納米結構與電場極化增強結構603中的一維納米結構可以相
同也可以不同，本實施例中的第--維納米結構和第二一維納米結構皆為氧化鋅納米棒；
支撐結構604是玻璃基片；電場極化增強結構603中的一維納米結構是半導體材料氧化鋅納米棒，其垂直於作為支撐結構504的玻璃基片，其一個端部與該玻璃基片接觸，其表面覆蓋有絕緣材料的薄膜，並在該絕緣材料的薄膜上覆蓋有導體材料的薄膜、納米顆粒或比所用的氧化鋅納米棒小的一維納米結構，分別如圖16-18所示。如圖16所示，作為一維納米結構的氧化鋅納米棒613的表面覆蓋有絕緣材料的薄膜617，絕緣材料的薄膜617的表面覆蓋有導體材料的薄膜618，其中絕緣材料的薄膜617為氧化鋁薄膜，導體材料的薄膜618為鉻薄膜。如圖17所示，作為一維納米結構的氧化鋅納米棒623的表面覆蓋絕緣材料的薄膜627，絕緣材料的薄膜627的表面覆蓋有導體材料的納米顆粒628，其中絕緣材料的薄膜627為氧化鋁薄膜，導體材料的納米顆粒628為金納米顆粒。如圖18所示，作為一維納米結構的氧化鋅納米棒633的表面覆蓋絕緣材料的薄膜637，絕緣材料的薄膜637的表面覆蓋有比氧化鋅納米棒633小的導體材料的一維納米結構638 (即一維納米結構638比氧化鋅納米棒633更短更細)，其中絕緣材料的薄膜637為氧化鋁薄膜，導體材料的一維納米結構638為氧化鋅納米棒，該氧化鋅納米棒表面覆蓋有鉻薄膜639。可以使用微細加工方法製備本實施例中的電場極化增強的放電電極，具體步驟包括在作為支撐結構604的玻璃基片上形成電極層，電極層為50nm厚度的鉻及其上的300nm厚度的銅；通過光刻和刻蝕工藝在作為支撐結構604的玻璃基片上形成陽極601和陰極602，並控制各部分結構的相對位置，其中，陽極601和陰極602表面的氧化鋅納米棒為陣列，其中的氧化鋅納米棒高度為15微米、直徑為50納米、間距為300納米，陽極601和電場極化增強結構603之間的第一間距為400微米，陰極602和電場極化增強結構603之間的第二間距為400微米；電場極化增強結構603的長度為I毫米、寬度為300微米(即氧 化鋅納米棒的陣列的分布區域的長度為I毫米、寬度為300微米)，氧化鋅納米棒的高度為15微米、直徑為50納米、間距為300納米，在該氧化鋅納米棒的表面覆蓋厚度為5納米的氧化鋁薄膜，並在該氧化鋁薄膜的表面覆蓋厚度為10納米的鉻薄膜、直徑為50納米的金納米顆粒或直徑為10納米、長度為100納米且表面覆蓋有厚度為5納米的鉻薄膜的氧化鋅納米棒。本實施例中的電場極化增強的放電電極構成了一種能夠對霧化液態樣本的流體進行光譜化學分析的器件結構。與上一個實施例相比，本實施例中的結構能夠進一步減小工作電壓，工作電壓下降達23. 44%。第七個實施例圖19-23給出了本發明的電場極化增強的放電電極在第七個實施例中的結構示意圖以及其中的電場極化增強結構的四種結構的截面示意圖，在本實施例中，本發明的電場極化增強的放電電極包括陽極701、陰極702和兩者之間的電場極化增強結構703。其中，電場極化增強結構703是多個一維納米結構的陣列。陽極701、陰極702和電場極化增強結構703皆設置在支撐結構704上；電場極化增強結構703與陽極701和陰極702皆不接觸，陽極701與電場極化增強結構703之間具有第一間隙，陰極702與電場極化增強結構703之間具有第二間隙。第一間隙和第二間隙的大小可以根據使用需求設定。本實施例中，陽極701和陰極702皆為單個的金屬電極，陽極701的朝向電場極
化增強結構703的表面具有第--維納米結構作為第一納米修飾結構705，第--維納米
結構與電場極化增強結構703中的一維納米結構可以相同也可以不同，陰極702的表面具有第二一維納米結構作為第二納米修飾結構706，第二一維納米結構與電場極化增強結構
703中的一維納米結構可以相同也可以不同，本實施例中的第--維納米結構和第二一維
納米結構皆為單晶矽納米針。支撐結構704包括基座40、支撐柱41-43、支撐筒44和數控電動平移臺45。其中，支撐柱41-43皆為聚四氟乙烯棒，用以固定陽極701的支撐柱41和用以固定陰極702的支撐柱42的直徑皆為18毫米、長度皆為100毫米，支撐柱43的直徑為18毫米、長度為150毫米；支撐筒44的材料是石英，電場極化增強結構703設置在其內壁上；支撐筒44通過支撐柱43固定在數控電動平移臺45上；基座40上設置有導軌，數控電動平移臺45可以在伺服電機的控制下在該導軌上移動，從而改變陽極701與電場極化增強結構703之間的第一間隙以及陰極702與電場極化增強結構703之間的第二間隙的大小。電場極化增強結構703中的一維納米結構設置於支撐筒44的內壁，其一個端部與內壁接觸，該一維納米結構是半導體材料的氧化鋅納米棒，其表面覆蓋有導體材料的薄膜並在該導體材料的薄膜的表面具有比所用的氧化鋅納米棒小的一維納米結構或絕緣材料的薄膜，或者其表面覆蓋有導體材料的納米顆粒以及比所用的氧化鋅納米棒小的一維納米結構；或者一維納米結構是導體材料的金納米棒，其另一個端部覆蓋有絕緣材料的薄膜並在該絕緣材料的薄膜的表面覆蓋有半導體材料的薄膜。分別如圖20-23所示。如圖20所示，作為一維納米結構的氧化鋅納米棒713的表面覆蓋有導體材料的薄膜717，導體材料的薄膜717的表面覆蓋有比氧化鋅納米棒713小的一維納米結構718 (即一維納米結構718比氧化鋅納米棒713更短更細)，其中導體材料的薄膜717為鉻薄膜，比氧化鋅納米棒713小的一維納米結構718為半導體材料的氧化鋅納米棒。如圖21所示，作為一維納米結構的氧化鋅納米棒723的表面覆蓋導體材料的納米顆粒727以及比氧化鋅納米棒713小的一維納米結構728 (即一維納米結構728比氧化鋅納米棒713更短更細)，其 中導體材料的納米顆粒727為鉻納米顆粒，比氧化鋅納米棒713小的一維納米結構728為半導體材料的氧化鋅納米棒。如圖22所示，作為一維納米結構的氧化鋅納米棒733的表面覆蓋有導體材料的薄膜737，導體材料的薄膜737的表面覆蓋有絕緣材料的薄膜738，其中導體材料的薄膜737為鉻薄膜，絕緣材料的薄膜738為氧化鋁薄膜。如圖23所示，作為一維納米結構的金納米棒743的不與支撐筒44的內壁接觸的一個端部的表面覆蓋有絕緣材料的薄膜747，絕緣材料的薄膜747的表面覆蓋有半導體材料的薄膜748，其中絕緣材料的薄膜747為氧化鎂薄膜，半導體材料的薄膜748為氧化鋅薄膜；另外，金納米棒743部分(包括其與支撐筒44的內壁相接觸的部分)掩埋在氧化鋁多孔膜749中，以保護其不與氣體或者等離子體直接接觸。可以使用微細加工方法製備本實施例中的電場極化增強的放電電極，具體步驟包括在兩個直徑為101毫米的矽晶片的表面覆蓋厚度為I微米的銅薄膜分別作為陽極701和陰極702 ;通過電化學刻蝕方法在陽極701和陰極702的矽晶片的表面形成單晶矽納米針陣列結構，作為陽極701和陰極702的第一納米修飾結構705和第二納米修飾結構706。對於圖20所示的電場極化增強結構703，支撐筒44的內壁形成氧化鋅納米棒713的陣列，其中的氧化鋅納米棒713的平均高度為5微米、直徑為20納米、納米棒的間距為250納米。在氧化鋅納米棒713表面覆蓋5納米厚度的鉻薄膜717，在鉻薄膜717的表面覆蓋直徑為10納米、長度為200納米的氧化鋅納米棒718。對於圖21所示的電場極化增強結構703，支撐筒44的內壁形成氧化鋅納米棒723的陣列，其中的氧化鋅納米棒723的平均高度為5微米、直徑為20納米、納米棒的間距為250納米。在氧化鋅納米棒723表面覆蓋直徑為10納米的鉻納米顆粒727以及直徑為10納米、長度為200納米的氧化鋅納米棒728。對於圖22所示的電場極化增強結構703，支撐筒44的內壁形成氧化鋅納米棒733的陣列，其中的氧化鋅納米棒733的平均高度為15微米、平均直徑為200納米、納米棒的間距為350納米。在氧化鋅納米棒733表面覆蓋10納米厚度的鉻薄膜737，在鉻薄膜737的表面覆蓋5納米厚度的氧化鋁薄膜738。對於圖23所示的電場極化增強結構703，支撐筒44的內壁形成金納米棒743的陣列，其中的金納米棒743的平均高度為10微米、平均直徑為140納米、納米棒的間距為400納米。在金納米棒743的不與支撐筒44的內壁接觸的一個端部的表面覆蓋I納米厚度的氧化鎂薄膜747，在氧化鎂薄膜747的表面覆蓋I納米厚度的氧化鋅薄膜748。將使用了圖20、21的電場極化增強結構703的本實施例中的電場極化增強的放電電極置於真空腔內部，並使陽極701與電場極化增強結構703之間的第一間隙以及陰極702與電場極化增強結構703之間的第二間隙內填充ImBar真空度的氬氣，由此其構成了一個由一維納米結構極化增強的氬等離子體幹法刻蝕裝置，通過調整氣壓和氣體成分，用於微電子加工技術領域。所形成的等離子體具有活性基團濃度高、功耗低的特點，就此實施例而言，比較沒有極化增強結構的情況，根據理論計算，等離子體中的活性基團濃度提高約74. 21%，功耗降低約13倍。將使用了圖22、23的電場極化增強結構703的本實施例中的電場極化增強的放電電極置於一個氣體導流裝置中，使得間隙中有流速為I. 2米/秒的氨氣與氮氣的混合氣，由此其構成了一個等離子體表面處理裝置，根據實驗測量，由於極化增強結構的作用，氨基活性基團的含量大大提高，從而能夠大大改善某些有機材料之間的表面接觸情況，可以應用於成骨損傷的添補手術中。此外，通過調整放電參數和電極結構，在 等離子體化學、等離子體醫學等相關領域還能有更多的應用。以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無需創造性勞動就可以根據本發明的構思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域的技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護範圍內。
權利要求
1.一種電場極化增強的放電電極，包括陰極和陽極，其特徵在於，所述陰極和所述陽極之間設置有電場極化增強結構，所述電場極化增強結構由一維納米結構構成，所述電場極化增強結構與所述陰極和所述陽極皆不接觸。
2.如權利要求I所述的電場極化增強的放電電極，其中所述電場極化增強結構是單個的所述一維納米結構或多個所述一維納米結構的排列。
3.如權利要求2所述的電場極化增強的放電電極，其中所述一維納米結構是半導體材料的納米帶、納米線、納米棒、納米針或納米管。
4.如權利要求3所述的電場極化增強的放電電極，其中所述一維納米結構的表面覆蓋有導體材料的薄膜、納米顆粒或比所述一維納米結構小的一維納米結構；或者所述一維納米結構的表面覆蓋有絕緣材料的薄膜、納米顆粒或比所述一維納米結構小的一維納米結構；或者所述一維納米結構的表面覆蓋有絕緣材料的薄膜，所述絕緣材料的薄膜的表面覆蓋有導電材料的薄膜、納米顆粒或比所述一維納米結構小的一維納米結構；或者所述一維 納米結構的表面覆蓋有半導體材料的薄膜或納米顆粒，所述半導體材料的薄膜或納米顆粒的表面覆蓋有半導體材料的比所述一維納米結構小的一維納米結構；或者所述一維納米結構的表面覆蓋有導體材料的薄膜，所述導體材料的薄膜的表面覆蓋有絕緣材料的薄膜。
5.如權利要求2所述的電場極化增強的放電電極，其中所述一維納米結構是導體材料的納米帶、納米線、納米棒、納米針或納米管。
6.如權利要求5所述的電場極化增強的放電電極，其中所述一維納米結構的一個端部的表面覆蓋有半導體材料的薄膜，所述半導體材料的薄膜的表面覆蓋有半導體材料的薄膜；或者所述一維納米結構的一個端部的表面覆蓋有絕緣材料的薄膜。
7.如權利要求2所述的電場極化增強的放電電極，其中所述一維納米結構是絕緣材料的納米帶、納米線、納米棒、納米針或納米管，且所述一維納米結構的表面覆蓋有導體或半導體材料的薄膜、納米顆粒或比所述一維納米結構小的一維納米結構。
8.如權利要求2所述的電場極化增強的放電電極，所述陽極的表面具有第一一維納米結構，所述第一一維納米結構與所述一維納米結構相同或不同。
9.如權利要求2或8所述的電場極化增強的放電電極，所述其中所述陰極的表面具有第二一維納米結構，所述第二一維納米結構與所述一維納米結構相同或不同。
10.如權利要求I或2所述的電場極化增強的放電電極，其中所述陰極、所述陽極和所述電場極化增強結構設置在支撐結構上，所述陽極到所述電場極化增強結構之間的距離以及所述陰極到所述電場極化增強結構之間的距離皆可調。
全文摘要
本發明公開了一種電場極化增強的放電電極，用於產生等離子體，其包括陰極、陽極和兩者之間的電場極化增強結構。其中電場極化增強結構由單個的一維納米結構或多個一維納米結構的排列構成，其與陰極和陽極皆不接觸。本發明還提出了九種利用一維納米結構構造的電場極化增強結構的結構，並提供了相應的電場極化增強的放電電極的結構和製備方法。本發明通過將由一維納米結構構成的電場極化增強結構設置在陰極與陽極之間的區域，可降低產生等離子體所需要的工作電壓，並且能夠避免傳統技術中由於氣體放電或者液體放電過程中各種輻射和粒子轟擊效應對一維納米結構的損害，由此有利於維持一維納米結構有益效果的穩定性並延長使用壽命。
文檔編號H01J1/52GK102945777SQ20121046893
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月19日 優先權日2012年11月19日
發明者侯中宇, 房茂波 申請人:上海交通大學