КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 19-71-10055
НазваниеЧисленное и экспериментальное исследование высокочастотной плазмы пониженного давления для модификации поверхностей функциональных материалов
РуководительШемахин Александр Юрьевич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет", Республика Татарстан (Татарстан)
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2024 |
Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (41).
Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах, 01-217 - Математическое моделирование физических сред
Ключевые словаматематическое моделирование, ВЧ-плазма, пониженное давление, высокочастотный разряд, газодинамика, электродинамика, наноматериалы
Код ГРНТИ27.35.51
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект будет осуществляться в рамках фундаментальной научной проблемы исследования взаимодействия низкотемпературной плазмы с различными материалами с целью модификации их свойств. Проект является развитием проекта № 19-71-10055 "Численное и экспериментальное исследование высокочастотной плазмы пониженного давления для модификации поверхностей функциональных материалов" (далее Проект-2019). В результате реализации Проекта-2019 построена нелокальная гибридная математическая модель струйного течения плазмы высокочастотного (ВЧ) разряда пониженного давления, учитывающая процессы газо-, электро- и плазмодинамики в свободном потоке и при наличии в струе заряженного образца, создана ВЧ-плазменная установка, проведены экспериментальные исследования и расчеты характеристик плазменной струи. В процессе выполнения Проекта-2019 установлены факторы, влияющие на параметры плазмы и процессы взаимодействия плазмы с образцом, которые необходимо принимать во внимание для проведения более точных расчетов.
В ходе реализации настоящего проекта будут решены следующие задачи: усовершенствована гибридная нелокальная математическая модель ВЧ-плазмы пониженного давления путем учета влияния приложенного потенциала смещения и продува газа; модифицирована модель взаимодействия плазмы с образцом путем дополнения моделями слоя положительного заряда (СПЗ) и двойного слоя (ДС), создана модель процесса ВЧ-плазменного нанесения металлического покрытия на диэлектрик. Так как геометрические масштабы дополнительных моделей на несколько порядков меньше характерных масштабов модели плазменной струи, то будут разработаны не только численные методы их расчета, но и разработаны методы их сопряжения. В связи с внесенными изменениями в математическую модель и численные методы, будет модифицирована программа, разработанная в ходе выполнения Проекта-2019. Соответственно, будут проведены верифицирующие расчеты; результаты моделирования будут сравниваться с экспериментальными данными, как полученными в ходе работы, так и известными из литературных источников.
Актуальность научной проблемы связана с неугасающим интересом исследователей к созданию новых функциональных и конструкционных материалов путем модификации свойств с помощью обработки низкотемпературной плазмой. Высокочастотная плазма пониженного давления эффективно применяется для полировки, финишной очистки металлов, полупроводников и диэлектриков, создания нанослоев на поверхности материалов, придания гидрофобным материалам гидрофильных свойств или наоборот, сверхгидрофобных свойств. Одной из ключевых задач при исследовании ВЧ-плазмы пониженного давления для целей обработки материалов является изучение физических процессов, происходящих в зоне взаимодействия плазменной струи с образцом. Возможности экспериментальных исследований этих процессов ограничены из-за малых размеров СПЗ, сложности экспериментального оборудования, необходимости защиты измерительной аппаратуры от ВЧ-наводок, трудоемкости проведения эксперимента. Математическое моделирование позволяет существенно ускорить процесс изучения физического явления и получить широкий диапазон данных в результате численного экспериментирования. Создание адекватной математической модели ВЧ-плазменной модификации материалов является целью настоящей работы.
Реализация настоящего проекта является шагом к построению полной самосогласованной модели ВЧ-плазмы пониженного давления с учетом влияния плазмы на образец. Разработка такой модели позволит получить более детальную информацию о характеристиках разряда, прямое измерение которых невозможно, или затруднительно, параметры оптимального влияния плазмы на образец, осуществлять тонкую настройку параметров работы ВЧ-плазменной установки при создании новых функциональных материалов и изделий на их основе. Разрабатываемая модель является новой, а результаты работы оригинальными. Уровень ожидаемых в проекте результатов сопоставим с мировым.
Ожидаемые результаты
В ходе реализации настоящего проекта будут получены следующие результаты:
1) Усовершенствованная математическая модель ВЧ-плазменной модификации материалов, описывающая характеристики плазменной струи при наложении дополнительного потенциала смещения и наличии в ней заряженного образца, с учетом влияния слоя положительного заряда, двойного слоя у поверхности образца.
2) Математическая модель процесса ВЧ-плазменного напыления металла на диэлектрическую подложку, учитывающая результаты расчета характеристик слоя положительного заряда и двойного слоя у поверхности образца;
3) Численные методы решения частных задач созданной модели, метод сопряжения разномасштабных моделей плазменной струи, слоя положительного заряда, двойного слоя, процесса напыления покрытия;
4) Модифицированная программа расчета характеристик потока плазмы ВЧ-разряда пониженного давления с учетом изменений в математической модели и численных методах решения дополнительных задач;
5) Результаты расчетов и закономерности влияния потенциала смещения и заряда образца на характеристики плазменных слоев и параметры процесса нанесения металлического покрытия на поверхность диэлектрика.
6) Модифицированная ВЧ-плазменная установка, с устройством подачи дополнительного потенциала, регулятором расхода газа и улучшенным согласованием генератора и плазмы.
7) Результаты зондовых и оптических экспериментальных исследований характеристик плазмы для верификации разработанной математической модели.
Научная значимость запланированных результатов в области математического моделирования физических процессов состоит в разработке разномасштабной математической модели ВЧ-плазменной модификации свойств материалов при пониженном давлении рабочего газа, что требует сопряжения нескольких подмоделей: струйного течения плазмы, слоя положительного заряда и двойного слоя у поверхности образца, молекулярной динамики процесса нанесения покрытия. Научная значимость запланированных результатов в области численных методов состоит в разработке методов решения разномасштабных задач физики низкотемпературной плазмы, и методов сопряжения соответствующих моделей.
Предполагаемые результаты соответствуют мировому уровню.
Практическое использование ожидаемых результатов заключается в возможности управления параметрами процессов ВЧ-плазменной модификации свойств различных материалов при создании новых функциональных материалов.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
На этапе первого года выполнения проекта были получены важные результаты, выделим из них следующие.
Разработана усовершенствованная математическая модель струйного течения высокочастотной плазмы пониженного давления с учетом приложенного потенциала смещения и продува газа в двух вариантах – для числа Кнудсена Kn < 0.1 и Kn ≥ 0.1. Построены также модели слоя положительного заряда и двойного слоя у поверхности образца, молекулярно-динамическая модель процесса напыления покрытия (Cu) на диэлектрик (SiO2).
Двумерная осесимметричная модель индуктивно-связанной плазмы при Kn < 0.1 разработана с использованием пакета COMSOL Multiphysics. Модель включает уравнения Навье-Стокса, модифицированные уравнения Максвелла для высокочастотного электромагнитного поля, уравнение Пуассона для электрического потенциала, уравнение неразрывности для плотности электронов и ионов, возбужденных состояний, плотности энергии электронов.
Для Kn ≥ 0.1 разработана сквозная математическая модель струйного течения высокочастотной плазмы пониженного давления. Модель состоит из трех связанных подмоделей, описывающих, соответственно, структуры потока, участвующие в формировании параметров ионной бомбардировки поверхности образца: плазменную струю, слой положительного заряда (СПЗ), возникающий в окрестности образца и двойной электрический слой непосредственно у поверхности образца. Для описания газодинамических параметров плазменной струи используется кинетическое уравнение Больцмана, течение заряженных частиц в струе и СПЗ рассматривается в гидродинамическом приближении, для описания двойного слоя у поверхности образца используется модель бесстолкновительного свободномолекулярного потока. Системы связаны между собой посредством граничных и начальных условий. Решение поставленной задачи позволяет исследовать зависимости энергии ионов и плотности ионного тока на поверхность образца непосредственно от режимов работы установки.
С применением метода молекулярной динамики построена модель формирования на подложке из диоксида кремния наноструктуры меди. Взаимодействие атомов меди между собой описывалось с помощью потенциала погруженного атома. Для взаимодействия ускоренных атомов (ионов) меди с атомами кремния использовался потенциал Морзе, взаимодействие медь-кислород задавалось через потенциал Леннард-Джонса. Взаимодействие атомов кремния и кислорода, которые образовывали подложку из диоксида кремния, описывалось через потенциал Вашишты.
Модифицирован численный метод решения задачи моделирования параметров потока высокочастотной плазмы пониженного давления с учетом приложенного потенциала смещения который зависит от числа Кнудсена. При Kn<0.1 для несущего газа используется модель Навье-Стокса с условиями проскальзывания, а при Kn>0.1 характер течения ближе к свободномолекулярному (переходный режим), поэтому используется метод прямого статистического моделирования Г. Берда.
Получены результаты расчетов электродинамических и газодинамических параметров плазмы с учетом приложенного потенциала смещения и продува газа в свободном потоке и результаты моделирования формирования медной наноструктуры на поверхности микроподложки из диоксида кремния. Результаты численных экспериментов по осаждению атомов (ионов) меди на заряженную подложку из диоксида кремния показали, что модель устойчива. Получено удовлетворительное согласие с литературными данными.
По результатам моделирования скорость напыления составила ≈0.12 г/(м^2·с). В расчете на макрочастицу с R = 5 мкм толщина медной пленки увеличивается со скоростью 13 нм/с.
Проведено численное моделирование газодинамических процессов при атмосферном давлении в ВЧ-плазмотроне ВЧИ-11/60. Выполнены численные эксперименты по оценке ключевых параметров для системы с пятью катушками и связанной мощностью 30 кВт при частоте генератора 1.76 МГц. Показан характер распределения температуры, давления, скорости потока, а также плотности тока и плотности магнитного потока.
Определен характер распределения электромагнитных и теплофизических параметров в индуктивно-связной плазме (ИСП) аргона. Математическая модель, представленная в этом пункте отчета, согласуется с исследованиями других авторов.
Проведены расчеты параметров плазмы с помощью пакета Comsol Multiphysics в двумерной осесимметричной постановке с учетом приложенного потенциала на верхнем фланце камеры, а также с потоком нейтрального газа вдоль разрядной трубки. Установлено, что повышение потенциала смещения позволяет экспоненциально увеличить концентрацию заряженных частиц и температуру электронов. При этом приложение потенциала приводит к нарушению ионизационного равновесия. Также установлено, что потенциал смещения на концентрации возбужденных состояний и нейтральных частиц не влияет, вследствие чего не меняется и температура несущего газа.
Показано, что метод расчета плазмы с продувом газа в COMSOL Multiphysics имеет ограничение, позволяющее проводить корректные расчеты ВЧИ-разрядов при пониженном давлении для расхода газа G<=2000 sccm. При более выскоких расходах появляются нефизичные эффекты.
Была разработана, в пакете COMSOL Multiphysics, модель ВЧИ-плазмы пониженного давления в геометрии, состоящей из двух областей: плазмотрон (узкая область) и камера (широкая область). Параметры модели: давление на выходе p = 133 Па, мощность на индукторе W = 1,3 кВт, частота поля f = 1, 76 МГц и расход газа G = 0~0.4 г/с. Получены пространственные распределения концентрации электронов, температуры электронов, давления в камере, скорости газа и проведен анализ эффектов в области расширения потока. Установлено, что в области расширения потока происходит аномальное увеличение электронной плотности, что может быть обусловлено замедлением выноса электронов из расчетной части области из-за уменьшения скорости несущего газа.
Модифицирована ВЧ-плазменная установка (увеличение диапазона расхода газа до 2000 sccm, усовершенствование конструкции, улучшение согласования ВЧ-генератора с плазмой). В ходе модификации ВЧ-плазменной установки были проведены работы, которые позволили:
1) Контролировать расход аргона в широком диапазоне: от 0 до 2000 sccm;
2) Осуществлять регулировку абсолютного давления в рабочем объёме камеры в пределах от 4 до 2500 Па;
3) Увеличить точность регулировки согласования между генератором и индуктором за счёт снижения инерционности и повышения точности позиционирования;
4) Получить возможности работы с новым согласующим устройством АСУ-272С в автоматическом режиме.
Запланированные работы выполнены в полном объеме.
Ссылки на информационные ресурсы, посвященные проекту:
1. https://www.youtube.com/watch?v=AIshD-JMYAo
2. https://media.kpfu.ru/news/dlya-larisy
Публикации
1. Байтимиров А.Д., Герасимов А.В., Шустрова М.Л. Numerical simulation of gas dynamic processes in RF-plasmotron RFI-11/60 Physics of Atomic Nuclei, - (год публикации - 2023)
2. Файрушин И.И., Шемахин А.Ю. Simulation of copper nanostructure formation on silicon dioxide microsubstrate surface Химия высоких энергий, - (год публикации - 2023)
3. Шемахин А.Ю., Желтухин В.С., Киселев Г.Б., Шемахин Е.Ю., Терентьев Т.Н. Investigation of the discharge chamber expansion region influence on the electron density in an inductively coupled RF discharge Химия высоких энергий, - (год публикации - 2023)
4. Шемахин А.Ю., Желтухин В.С., Шемахин Е.Ю., Самсонова Е.С., Терентьев Т.Н. A mathematical model of an inductively coupled radio-frequency discharge at low pressure as nonlinear partial eigenproblem Journal of Physics: Conference Series, 2388, 012050 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1088/1742-6596/2388/1/012050
5. - Достижение ученых КФУ усовершенствует установки для плазменной обработки материалов Медиапортал КФУ, - (год публикации - )