氖气背后的科学

全球生产的氖气约70%用于制造半导体芯片，供应链问题可能导致严重中断。

为什么战争导致天然气供应商乌克兰的氖气短缺，一段时间前就引起了人们的关注。这并不是为了破坏拉斯维加斯或东京彩色照明所需的氖气供应链，而是逐渐被更节能、更环保、更实惠的LED所取代。

缺少氖气是什么？

一个简单的答案是，全球生产的54万吨氖气中，约70%用于半导体生产。这种高需求的原因是氖是必不可少的氟化银-氖出口脉冲激光器的主要成分。

这种类型的激光器以其高强度、脉冲、纳秒、193nm深紫外波长和尖端7nm空间分辨率光刻所需的非常小的衍射限制点尺寸而闻名。它们主要用于制造计算机芯片，但也有无数其他应用，包括激光武器、核聚变、亚微米加工、同位素分离和眼科手术。

为了实现这种光刻所需的高功率、稳定性和可靠性的氩氟neoneximer激光器，氖的纯度（氩氟混合物的95%）必须非常高，以降低激光器性能。由于空气中氖气的天然丰度仅为18ppm，因此需要能源、人力和基于液体空气低温分馏的成本效益高的工艺来实现这种非常高的纯度。为了从液体空气分离过程中获得实际量的氖气，需要每天至少1000吨的工厂容量。

乌克兰是世界上小麦生产大国，需要大量的氮来生产化肥，而氖气是哈伯-博世氨法液态空气氮氧分离工艺中非常有价值的副产品。令人惊讶的是，为什么这种eximer激光器如此热衷于氖，因为人们想象激光孔中含有的活性氩-氖气体混合物不会被消耗掉。

这是霓虹灯供应链面临的挑战。为了理解其广泛和持续应用的起源，人们需要了解支持准分子激光操作的化学和物理。这是一系列高强度紫外脉冲气体激光器。发光的起源是稀有气体卤素放电，其基本成分决定了激光发射的波长。

在复杂过程的简化描述中，特别是在氟化银-neoneximer激光器的情况下，脉冲放电或电子诱导放电在氩、氟和氖的高压气体混合物中引起电离和离解过程。准分子模式：2Ar+F2→2（ArF）*→2Ar+F2+hv（λ=193nm）

氩、氟和氖之间的三体碰撞产生加速的（ArF）*二聚体分子，然后暴露于辐射弛豫，并发射以193 nm为中心的强大深紫外传输。这些紫外线光子位于激光腔的主反射镜之间，可以引起受激（ArF）*。这个过程负责准分子气体激光器的操作。激光物理学爱好者认为，转换粒子数是激光相互作用的先决条件。这适用于加速态（ArF）*-分子，因为高度排斥的转移性基态（ArF）迅速降解为未结合的氩和氟。这导致土壤状态的种群减少，而（ArF）*准分子水平种群的反转增加。

氖气出现在哪里？

其功能是提高（ArF）*的形成速率，从而控制准分子激光器的整体效率。例如，使用氦气代替氖气会降低激光器性能，因此设定了Ar-F2准分子激光器的基本氖气要求。由于激光器的极端工作条件，高能离子和电子与激光腔的相互作用将杂质带入气体混合物中，导致激光器性能下降。这种污染问题需要将氩氟作为废物排放，大约每两周需要完全更换一次，或者清洁和回收复杂而昂贵的气体混合物。这是对价值5000亿美元的半导体行业的成本效益分析。