Аннотация результатов, полученных в 2024 году
За отчетный период исследования проводились по двум направлениям. В первом была исследована сильнонеравновесная плазма на примере короткого тлеющего разряда, а во втором – термическая плазма дуговых разрядов в процессах синтеза наноструктур. Рассмотрим последовательно результаты этих исследований. 1) Исследования конверсии малых примесей силана в коротком тлеющем разряде в буферном гелии проводились в плазмохимическом реакторе с кольцевыми электродами. Трубка имела диаметр 1.5 см, длину электродов 1 см и расстояние между ними от 0.5 до 1.5 см. Давление газовой смеси варьировалось от 2 до 7 Торр, образуя катодный и анодный слои, а основная часть занималась прикатодной плазмой. Цилиндрический зонд из вольфрамовой проволоки диаметром 0.1 мм использовался для измерений в области отрицательного свечения. Эксперименты проводились как в закрытом реакторе, так и с непрерывной прокачкой газовой смеси, что позволяло выводить продукты конверсии. Разрядная трубка откачивалась с помощью двухступенчатой системы вакуумной откачки. Буферная смесь подавалась из двух баллонов: один с чистым гелием, другой с 0.1% примеси силана, что позволяло снижать концентрацию до 0.001% (10 ppm). Зондовые измерения проводились как с использованием коммерческой системы MFPA, так и самодельной зондовой системой для получения более точных данных. Результаты экспериментов показали формирование характерных пиков от быстрых электронов на высокоэнергетической части вторых производных зондовых ВАХ. В начальный момент времени t0 наблюдались пики, связанные с реакциями сверхупругих столкновений и Пеннинговской ионизацией двух метастабильных атомов гелия, а также пик в области 8.2 эВ от Пеннинговской ионизации силана SiH4 и пики в области 6.2 эВ и 11.89 эВ, соответствующие продуктам конверсии силана, таким как атомарный водород (H) и радикал SiH. С течением времени пики в области 8.2 эВ исчезали, а пики в области 6.2 эВ и 11.89 эВ увеличивались, что указывает на снижение концентрации силана и увеличение продуктов конверсии. При увеличении концентрации примеси силана до 0.1% наблюдалась аналогичная динамика: исчезновение пика на 15 эВ и появление пика на 10.78 эВ, связанного с радикалом SiH2. На следующем этапе были получены результаты для слабого потока газа с содержанием примеси силана 0.005% и 0.1%. Необходимо отметить, что поскольку во втором случае измерения проводились в непрерывном слабом потоке газа, то пик от молекулярного силана наблюдался во всем рассматриваемом диапазоне времен. Кроме того, наблюдалось образование пика в области 11.65 eV, который может быть связаны с Пеннинговской ионизацией атомов чистого кремния. Для подтверждения экспериментальных результатов по конверсии силана были проведены численные исследования в нульмерной и одномерной геометриях короткого тлеющего разряда в смеси гелий/силан с учетом достаточно подробного набора элементарных процессов, учитывающих следующие частицы: H, H2, SiH4, SiH3, SiH2, SiH, Si, Si2H2, Si2H4, Si2H5, Si2H6, H+, H2+, H3+, SiH4+, SiH4-, SiH3+, SiH3-, SiH2+, SiH2-, SiH+, Si2H4+, Si2H6+, He, He+, He2+. Численные расчеты проводились по условиям экспериментальных исследований. Динамика концентраций нейтральных частиц и радикалов показала, что разложение силана начинается с 0.01 с, его концентрация падает на четыре порядка к 0.013 с, а атомарный водород и радикал SiH становятся доминирующими частицами. До 0.03 с основными заряженными частицами были электроны и ионы гелия, затем увеличилась роль отрицательных ионов SiH4-, SiH2-, SiH3-. На больших временах, начиная с 600 с, возрастает влияние нагрева газа и иона H3+. При увеличении примеси силана до 0.1% наблюдается рост концентрации радикала Si2H5 и трисилана Si3H8. Учет потока газа показал, что достаточно высокой в разрядной области остается концентрация силана, а также формируется чистый Si и радикал SiH2. Для каждого момента времени были получены распределения концентраций заряженных частиц. Наблюдается классическая картина распределения параметров плазмы, включая катодный и анодный слои, а также эффект расслоения плазмы, когда отрицательные ионы скапливаются в центре разрядного промежутка, а положительные ионы — у катода и анода. Проведенные исследования показали возможность контроля продуктов конверсии малых примесей силана в плазмохимических реакторах с условиями нелокального характера формирования ФРЭЭ и низкой температурой основной группы электронов. 2) а) Исследование дугового разряда с графитовым катодом и композитным Si/C анодом. Были проведены численные расчеты по исследованию испарения материала графитового катода и композитного анода в разрядный промежуток. Помимо плазмохимических процессов буферного газа аргона учтены также процессы с участием атомов и молекул углерода, а также атомов кремния. Численные расчеты продемонстрировали достаточно интенсивное испарение материала электродов, а именно углеродных частиц и частиц кремния. Было показано, что на характер распределения ионов кремния значительное влияние оказывают ступенчатая ионизация. Б) Исследования дугового разряда в смеси He/CH4 c тугоплавким (вольфрамовым) и нетугоплавким медным катодом и нетугоплавким медным анодом В рамках численных расчетов с подробной кинетикой элементарных процессов показано, что в случае тугоплавкого вольфрамового катода наблюдается практически одинаковая скорость конверсии метана, что приводит к практически одинаковым значениям концентрации основных продуктов конверсии метана С, С2, H при различных значениях плотности разрядного тока . Однако с ростом плотности тока увеличивается скорость испарения атомов меди с анода при достижении плотности тока 5e5 A/m2 наблюдается скачок на ВАХ, обусловленный сменой плазмообразующего иона. Этот факт обусловлен более низкой энергией ионизации атомов меди по сравнению с атомами аргона. В этом режиме стоит ожидать роста металл-углеродных наночастиц. Исследования показали, что в режиме дугового разряда с тугоплавким вольфрамовым катодом наблюдаются более высокие температуры газа в разрядном промежутке, при этом доминирующими сортами частиц, из которых могут начать синтезироваться наноструктуру в порядке убывания являются атомы меди Cu, атомы углерода C и кластеры углерода C2. В случае нетугоплавкого медного катода, когда дуга поддерживается термополевой эмиссией было показано, что характеристики разряда и компонентный состав плазмы зависят от коэффициента усиления электрического поля вблизи поверхности катода. При этом продемонстрировано, что увеличение коэффициента усиления приводит к более эффективной термополевой эмиссии, снижению температуры поверхности катода и температуры газа в разрядном промежутке. Это приводит к тому, что в дуге с нетугоплавким медным катодом доминирующими сортами частиц, из которых могут начать синтезироваться наноструктуру в порядке убывания являются атомы меди Cu, кластеры углерода C2 и атомы углерода C.