Численное и экспериментальное исследование высокочастотной плазмы пониженного давления для модификации поверхностей функциональных материалов

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 проекта 19-71-10055

НазваниеЧисленное и экспериментальное исследование высокочастотной плазмы пониженного давления для модификации поверхностей функциональных материалов

Руководитель Шемахин Александр Юрьевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" , Республика Татарстан (Татарстан)

Конкурс №41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-217 - Математическое моделирование физических сред

Ключевые слова математическое 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 низкотемпературной высокочастотной плазмы пониженного давления (13.3-133 Па), используемой для обработки материалов различной физической природы с целью придания им качественно новых свойств, в том чиле наномодификации поверхности. Целью проекта является построение и исследование математических моделей для нелинейных процессов, происходящих в ВЧ-плазме пониженного давления и процессов взаимодействия с образцом. Математическое моделирование позволяет существенно ускорить процесс изучения физического явления и получить широкий диапазон данных в результате численного экспериментирования. Будет проведена серия натурных экспериментов по определению основных параметров плазмы (энергии ионов, плотности плазмы, распределения электронов по энергиям, плавающего и плазменного потенциалов), результаты экспериментов будут являться подтверждением корректности математической модели, в частности будут оптимизированы параметры обработки металлов с покрытием из SiO2. Актуальность данной проблемы на сегодняшний день связана с высоким интересом к исследованию процессов, протекающих в объеме плазмы высокочастотного газового разряда. Высокочастотная плазма пониженного давления используется для модификации конструкционных и функциональных материалов с целью придания им качественно новых свойств, например, для полировки, создания нанослоев, придания гидрофобным материалам гидрофильных свойств или наоборот, сверхгидрофобных свойств. Научная новизна задачи состоит в том, что будет разработана гибридная нелокальная математическая модель ВЧ-плазмы при пониженном давлении, учитывающая процессы газо-, электро-, плазмодинамики и молекулярной динамики в плазме и при взаимодействии с образцом. Будут рассчитаны значения концентрации электронов и электронной температуры, напряженностей ВЧ магнитного и электрического полей, параметров несущего газа (давление, скорость, температура), концентрации частиц в метастабильных состояниях, скорости и энергии ионов при взаимодействии с образцом. В модели будет учтено накопление заряда на образце. Экспериментальное исследование основных параметров плазмы аргона (энергии ионов, плотности плазмы, распределения электронов по энергиям, плавающего и плазменного потенциалов) в сравнении с численными исследованиями по новой гибридной математической модели, учитывающей перечисленные процессы во взаимном влиянии для низкотемпературной плазмы пониженного давления будет являться новым научным фундаментальным результатом. Разрабатываемая модель является новой, а результаты работы оригинальными. Уровень ожидаемых в проекте результатов сопоставим с мировым. Достижимость решения поставленной задачи и возможность получения запланированных результатов обеспечивается имеющимся научным заделом и опытом работы в исследуемой области. Работы будут осуществляться в рамках направления “Н1 Переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, создание систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта” из Стратегии НТР РФ.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Шемахин А.Ю., Желтухин В.С. Математическое моделирование параметров ВЧИ-плазмы при пониженных давлениях Сборник материалов международной конференции КРОМШ-2019 " XXX Крымская осенняя математическая школа-симпозиум по спектральным и эволюционным задачам", c. 290-292 (год публикации - 2019)

2. Шемахин А.Ю., Желтухин В.С., Шемахин Е.Ю., Прялухин И.С. Study of RF plasma flow at low pressure: electron temperature influence Journal of Physics: Conference Series (год публикации - 2020)

3. Шемахин А.Ю., Желтухин В.С., Шемахин Е.Ю. Математическое моделирование ВЧ-разряда пониженного давления с продувом газа в нелокальном приближении: электро- и плазмодинамика Инженерно-физический журнал (год публикации - 2020)

4. Шемахин А.Ю., Желтухин В.С. Mathematical modeling of radio-frequency plasma flow at low pressures in non-local approximation Сборник тезисов XXXV Международной конференции «Уравнения состояния вещества«, Shemakhin A. Yu. , Zheltukhin V. S. Mathematical modeling of radio-frequency plasma flow at low pressures in non-local approximation// Сборник тезисов XXXV Международной конференции «Уравнения состояния вещества«, 2020, С. 250. (год публикации - 2020)

5. Фадеев С.А., Кашапов Н.Ф., Сайфутдинов А.И. Влияние резонансных акустических колебаний на вольт-амперную характеристику тлеющего разряда Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева (год публикации - 2020)

6. Шемахин А.Ю., Желтухин В.С., Шемахин Е.Ю., Терентьев Т.Н., Софроницкий А.О. Experimental installation to study the RF plasma flow at low pressures with experiment data synchronization Journal of Physics: Conference Series (год публикации - 2020)

7. Терентьев Т.Н., Желтухин В.С., Шемахин А.Ю., Некрасов И.К., Самсонова Е.С., Шемахин Е.Ю., Цокало И.Е., Тюрин В.А. Experimental installation for study the low-power ICRF plasma at low pressures with equipment for experiment data synchronization Journal of Physics: Conference Series (год публикации - 2021)

8. Желтухин В.С., Шемахин А.Ю., Терентьев Т.Н., Самсонова Е.С. Self-Consistent Model of Low Pressure Inductively Coupled RF Discharge Lecture Notes in Computational Science and Engineering (год публикации - 2021)

9. Шемахин А. Ю., Желтухин В. С. Математическое моделирование параметров ВЧИ-разряда с продувом газа в нелокальном приближении Сборник материалов международной конференции КРОМШ-2020, c. 269-271 (год публикации - 2020)

10. Самсонова Е. С., Терентьев Т. Н., Шемахин А. Ю., Желтухин В. С. Самосогласованная модель ВЧ индукционного разряда пониженного давления Сборник материалов международной конференции КРОМШ-2020, c. 255-256 (год публикации - 2020)

11. Шемахин А.Ю., Желтухин В.С. Mathematical modeling of RF plasma flow at low pressures in non-local estimation Всероссийская (с международным участием) конференция «Физика низкотемпературной плазмы» ФНТП-2020: сборник тезисов, с. 95-96 (год публикации - 2020)

12. Файрушин И.И, Шемахин А.Ю. Молекулярно-динамическое моделирование самосборки медной нанопленки в газоразрядной плазме Всероссийская (с международным участием) конференция «Физика низкотемпературной плазмы» ФНТП-2020: сборник тезисов, с. 257-258 (год публикации - 2020)

13. Желтухин В.С., Терентьев Т.Н., Шемахин А.Ю., Самсонова Е.С. Calculation of conditions for maintaining an ICRF-plasma using a self-consistent model Journal of Physics: Conference Series, 1, 1870, 012018 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/1870/1/012018

14. Файрушин И.И., Шемахин А.Ю., Хабирьянова А.А. Молекулярно-динамическое моделирование самосборки медной нанопленки на кремниевой подложке в условиях газоразрядной плазмы Химия высоких энергий (год публикации - 2021)

15. Шемахин А.Ю. Mathematical modeling of RF plasma flow at low pressures in vacuum chamber with charged body Proceeding of International Workshop: "Critical Infrastructures in the Digital World", 68 (год публикации - 2021)

16. Желтухин В.С., Шемахин А.Ю. Simulation of low pressure RF plasma flow in non-local approximation “The International Conference on Plasma Science” (ICOPS2020) (год публикации - 2020)

17. Некрасов И.К., Мамед-Юсифов А.А., Акчурин А.Д., Шемахин А.Ю., Желтухин В.С. Experimental study of inductively coupled RF plasma in a wide frequency range XXXVI International Conference on Interaction of Intense Energy Fluxes with Matter (ELBRUS 2021) (год публикации - 2021)

18. Шемахин А.Ю., Желтухин В.С., Самсонова Е.С., Терентьев Т.Н. Investigation of low-pressure ICRF discharge in a self-consistent formulation XXXVI International Conference on Interaction of Intense Energy Fluxes with Matter (ELBRUS 2021) (год публикации - 2021)

19. Желтухин В.С., Шемахин А.Ю., Терентьев Т.Н., Самсонова Е.С. Самосогласованная по внутренним и внешним параметрам модель высокочастотного индукционного разряда пониженного давления Таврический вестник информатики и математики, №2(51). - С. 24-31. (год публикации - 2021)

20. Фадеев С.А., Сайфутдинов А.И., Кашапов Н.Ф., Сайфутдинова А.A. Влияние балластной области на параметры тлеющего разряда при средних и высоких давлениях Теплофизика высоких температур / High Temperature (год публикации - 2022)

21. Шемахин А.Ю., Желтухин В.С., Терентьев Т.Н., Самсонова Е.С. Расчет параметров ВЧИ-разряда пониженного давления в 2D постановке II Международная конференция «Газоразрядная плазма и синтез наноструктур» : сборник трудов, (г. Казань, 1-4 декабря 2021 г.) / под ред. Б. А. Тимеркаева. - Казань : Бук, 2021. - 388 с., С. 35-36. (год публикации - 2021)

22. Шемахин А.Ю., Желтухин В.С. Математическое моделирование высокочастотной плазмы пониженного давления для цилиндрической вакуумной камеры с заряженным образцом в потоке II Международная конференция «Газоразрядная плазма и синтез наноструктур» : сборник трудов, (г. Казань, 1-4 декабря 2021 г.) / под ред. Б. А. Тимеркаева. - Казань : Бук, 2021. - 388 с., С. 37 (год публикации - 2021)

23. Желтухин В.С., Шемахин А.Ю., Терентьев Т.Н., Самсонова Е.С. Условие самосогласования параметров установившегося ВЧИ разряда при пониженном давлении II Международная конференция «Газоразрядная плазма и синтез наноструктур» : сборник трудов, (г. Казань, 1-4 декабря 2021 г.) / под ред. Б. А. Тимеркаева. - Казань : Бук, 2021. - 388 с., с. 38. (год публикации - 2021)

24. Желтухин В.С., Шемахин А.Ю., Терентьев Т.Н., Самсонова Е.С. Самосогласованная одномерная модель индукционно-связанного высокочастотного разряда пониженного давления Сборник материалов международной конференции КРОМШ- 2021 / – Симферополь: ПОЛИПРИНТ, 2021. – 132 с., С. 97 (год публикации - 2021)

25. Шемахин А.Ю., Желтухин В.С. Математическое моделирование потока ВЧ-плазмы пониженного давления с модельным заряженным образцом Тезисы докладов XXVI Байкальской Всероссийской конференции с международным участием, С. 85 (год публикации - 2021)

26. Шемахин А.Ю., Желтухин В.С., Шемахин Е.Ю. Mathematical modeling of plasma flow at low pressures in vacuum chamber with charge on body Critical Infrastructures in the Digital World, С. 15 (год публикации - 2022)

27. Шемахин А.Ю , Самсонова Е.С., Вознесенский Э.Ф., Желонкин Я. О., Шемахин Е.Ю., Фадеев С.А., Терентьев Т.Н., Максимов Р.А., Тюрин В.А. Spectral studies of inductively coupled plasma characteristics of low pressure discharges for two configurations of vacuum chambers Journal of Physics: Conference Series (год публикации - 2022)

28. Шемахин А.Ю., Желтухин В.С., Самсонова Е.С., Терентьев Т.Н. Моделирование зависимости электронной плотности в индукционной плазме аргона от частоты поля Математика и математическое моделирование: Сборник материалов XVI Всероссийской молодежной науно-инновационной школы. - Саров: ООО "Интерконтакт", 2022. - 402 с., С. 3. (год публикации - 2022)

29. Шемахин А.Ю., Желтухин В.С., Шемахин Е.Ю. Математическое моделирование потока ВЧ-плазмы пониженного давления при наличии модельного образца Математика и математическое моделирование: Сборник материалов XVI Всероссийской молодежной науно-инновационной школы. - Саров: ООО "Интерконтакт", 2022. - 402 с., С. 4. (год публикации - 2022)

30. Шемахин А.Ю., Желтухин В.С., Шемахин Е.Ю. Mathematical Simulation of a High-Frequency Low-Pressure Discharge with Gas Injection in Non-Local Approximation: Electro- and Plasmadynamics Journal of Engineering Physics and Thermophysics, J Eng Phys Thermophy 94, 1336–1343 (2021). https://doi.org/10.1007/s10891-021-02415-5 (год публикации - 2021)

31. Терентьев Т.Н., Шемахин А.Ю., Самсонова Е.С., Желтухин В.С. Frequency dependencies of the characteristics of an inductively coupled radiofrequency discharge at reduced pressure Plasma Sources Science and Technology, Volume 31, Number 9, 094005 (год публикации - 2022)
10.1088/1361-6595/ac8dba

Публикации