Размещено на http://www.allbest.ru/

10

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Плазменные эмиссионные системы на базе разряда низкого давления для нанесения покрытий из мелкодисперсных материалов

Специальность: 05.27.02 «Вакуумная и плазменная электроника»

Гребнев Олег Игоревич

Санкт - Петербург - 2007

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Научный руководитель: - кандидат технических наук, доцент Барченко В. Т.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Карманенко С.Ф.

кандидат физико-математических наук, ст. науч. сотр. Сошников И.П.

Ведущая организация: - Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Защита диссертации состоится «13» ноября 2007 года в 15:30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.238.08 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» имени В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «12» октября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Смирнов Е.А.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Традиционно наибольшее распространение электронно-ионно-плазменные технологии имели при производстве изделий электроники, микро- и оптоэлектроники. Однако в последние годы сфера их применения значительно расширилась. Анализ современного состояния развития исследований и производства в области «критических» технологий и техники новых поколений позволяет сделать заключение о том, что одним из наиболее динамично развивающихся междисциплинарных научно-технических направлений является физика и технология микро- и наносистем. Ввиду того, что в указанных системах в качестве характерных выступают размеры атомного уровня, при их изготовлении необходимо использовать «инструмент», обеспечивающий устойчивое воспроизведение размеров в нанометровом диапазоне. В качестве «инструмента» для указанных целей весьма эффективно использование потоков заряженных частиц и плазмы.

Актуальность данной работы обусловлена возрастающими потребностями различных отраслей машиностроения, и в первую очередь электронного приборостроения, в оборудовании с использованием плазменных эмиссионных систем для нанесения покрытий различного функционального назначения. В настоящее время нанесение покрытий из вещества в нанодисперсной фазе преимущественно осуществляется при помощи распылительных систем использующих плазму высокого или среднего давления. Значительного повышения качества наносимых покрытий можно ожидать при понижении давления плазмообразующего газа. Однако методам нанесения покрытий из мелкодисперсного материала на базе разрядов низкого давления до последнего времени уделялось недостаточно внимания.

В известной нам литературе не удалось найти разработанных научных подходов и моделей плазменных эмиссионных систем на базе разряда низкого давления для нанесения пленок из нанодисперсных материалов.

В настоящее время, в связи со значительным расширением фронта работ в области нанотехнологии и наноматериалов, теоретические и прикладные исследования в указанных областях начинают активно развиваться, что отражает объективные потребности современной науки, техники и производства. С учетом вышеизложенного, представляется целесообразным более детальное и глубокое изучение плазменных эмиссионных систем на базе разрядов низкого давления для нанесения различного рода покрытий из материалов в мелкодисперсной фазе.

В диссертации разработаны модели, которые адекватно описывают поведение материала вводимого в плазму низкого давления в нанодисперсной фазе. На конкретных примерах показаны возможности разработанных моделей при расчете характеристик плазменных эмиссионных систем для нанесения покрытий различного функционального назначения.

Выполнена оценка точности разработанных моделей путем сравнения результатов расчетов с экспериментальными данными.

Изложенное выше определяет актуальность исследований, представленных в настоящей работе, которая обусловлена стремлением получения новых знаний о физике процессов в многокомпонентной плазме низкого давления, а также потребностями науки, техники и производства в разработке и использовании более совершенного аналитического и технологического оборудования, обеспечивающего расширение областей использования новых процессов, базирующихся на применении потоков заряженных частиц и плазмы.

Целью работы является построение моделей описывающих процессы в плазме низкого давления при введении в нее мелкодисперсной фракции; получение новой научной информации о процессе взаимодействия микрочастицы с потоком плазмы низкого давления при произвольных функциях распределения электронов по скоростям, изучение влияния мелкодисперсной фракции на микроскопические характеристики плазменного образования.

Для достижения поставленных целей в работе решались следующие задачи:

1. Уточнение картины физических явлений, имеющих место при введении мелкодисперсной фракции в плазму низкого давления;

2. Рассмотрение составляющих потоков заряженных частиц в пограничном слое между поверхностью частицы микронных размеров и плазмой при низких давлениях;

3. Рассмотрение энергетических потоков, переносимых частицами из плазмы на поверхность микроскопической частицы и с ее поверхности в плазму;

4. Исследование динамики поведения частицы микронных размеров, вносимой в плазменное образование при низких давлениях;

5. Моделирование характеристик плазменных эмиссионных систем конкретных типов (дуоплазматрон, газоразрядная камера с накаленным катодом, поток плазмы в вакуумном дуговом испарителе);

6. Проверка адекватности разработанных моделей;

7. Экспериментальное исследование возможностей применения дуоплазматрона для нанесения покрытий из материалов в мелкодисперсной фазе.

Новые научные результаты:

1. Разработаны модели, позволяющие с единых позиций описывать процессы, протекающие в плазме низкого давления, генерируемой в разрядах постоянного тока, при внесении в нее мелкодисперсных материалов как из металлов, полупроводников и диэлектриков, так и из композиционных материалов на их основе.

2. Выявлены процессы и получены соотношения, позволяющие рассчитать квазиравновесный потенциал, до которого заряжается частица микронных размеров, вносимая в плазму низкого давления.

3. Показано влияние вида функции распределения электронов по скоростям в плазме низкого давления на энергообмен между частицей микронных размеров и окружающей ее плазмой.

4. Уточнена картина физических процессов, происходящих при теплообмене в системе «плазма низкого давления - нанодисперсный материал».

5. Получена новая информация о поведении капельной фракции в металлической плазме вакуумного дугового разряда, кореллирующая с результатами других исследователей.

6 Установлено, что конечная энергия электронов в разряде дуоплазматронного типа в предобрывном состоянии определяется начальной концентрацией нейтралов в области сужения.

Практическую ценность работы составляют:

1. Разработанная модель, характеризующая процессы нагрева, плавления и испарения нанодисперсного материала в плазме низкого давления позволяет, по предложенным в работе алгоритмам, вести расчеты различных параметров плазменных генераторов при постановке конкретных задач.

2. Результаты исследований физико-химических превращений в системе «мелкодисперсный материал - плазма низкого давления», являются базовыми для дальнейшего совершенствования и технологического оборудования для ионно-плазменной модификации поверхности твердого тела и реализуемых с его помощью современных наукоемких, экологически чистых и высокоэффективных технологий в различных областях науки, техники и производства.

3. Экспериментально апробирована конструкция дуоплазматрона, которая может быть использована в качестве базовой при разработке промышленных модулей для нанесения покрытий из мелкодисперсных материалов.

Достоверность полученной в работе информации определяется:

- удовлетворительным согласием теоретических оценок, результатов математического моделирования и экспериментальных данных;

- хорошим совпадением экспериментальных данных, полученных по различным методикам;

- непротиворечивостью полученной в работе информации и выводов, сделанных на ее основе, с результатами других исследователей.

Внедрение результатов.

Результаты исследований, полученных в диссертационной работе, использовались при выполнении научно-исследовательских работ:

1.Государственный контракт № 02.513.11.3117 на выполнение научно-исследовательских работ 2007 года «Механизмы образования нанокластеров и управляемая ионно-плазменная технология получения микроволновых поглощающих покрытий на основе композитов из нанокластеров магнитных металлов в углеродной матрице».

2. Госбюджетные научно-исследовательские работы, проводимые по заданию Министерства образования и науки РФ (ЕЗН и поддержка ведущих научно-педагогических школ).

3. Договорные работы с НТЦ «Прикладные нанотехнологии».

Реализация результатов работы. Тема диссертационной работы тесно связана с планами госбюджетных работ, проводимых по государственным научно-техническим программам и грантам. Исследования проводились в тесном сотрудничестве с ведущими отечественными научно-исследовательскими и промышленными предприятиями: ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, ЗАО «Светлан Рентген», НТЦ «Прикладные нанотехнологии», ФГУП «НИИ ЭФА им. Д.В. Ефремова» и др.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях, совещаниях и симпозиумах:

3-я, 4-я и 5-я Всероссийские научно-технические конференции с международным «Быстрозакаленные материалы и покрытия», 2004-2006 г., Москва, «МАТИ - РГТУ им. К.Э. Циолковского»

Ежегодный научно-технический семинар «Вакуумная техника и технология», СПб, 2004-2007 г.г.

8-я и 9-я научная молодежные школы по твердотельной электронике “Актуальные аспекты нанотехнологии”, май 2005, Санкт-Петербург, Репино;

11-й Международный крейнделевский семинар «Плазменная эмиссионная электроника» - Улан-Удэ, 2006 г.

IV Международная НТК «Проблемы проектирования и производства радиоэлектронных средств», май 2006 г., Новополоцк, Беларусь.

Всероссийская н.-т. Конференция с международным участием «Новые материалы и технологии» НМТ - ноябрь 2006, Москва.

58-62 НТК Профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2003-2007 г.г., Санкт-Петербург, СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

8-я Международная конференция «Пленки и покрытия - 2007», Санкт-Петербург, 22-24 мая 2007 г.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. В квазистационарном режиме потенциал поверхности частицы, помещенной в плазму низкого давления, определяется как видом функции распределения электронов по скоростям, так и эмиссионными потоками зарядов с поверхности микрочастицы в плазму.

Повысить разность потенциалов, локализуемую в слое пространственного заряда между плазмой и поверхностью микрочастицы, можно облучая последнюю потоком высокоэнегетичных электронов, который может быть сформирован в области катодного падения напряжения разряда низкого давления или при диафрагмировании разрядного промежутка.

2. Изотермическое приближение для распределения температуры в объеме сферической частицы, используемое в разработанной модели, позволяет адекватно описывать физико-химические процессы в системе «плазма низкого давления - нанодисперсный материал», и может быть использовано при расчете динамики теплообмена микрочастицы с плазмой с точностью не хуже 15 % при размерах последней не превышающих 150мкм.

3. Предельная энергия электронов в предобрывном состоянии при протекании тока в диафрагмированном промежутке дуоплазматрона определяется начальной концентрацией газа в области контрагирования.

4. Для формирования покрытий из металлов, полупроводниковых материалов и диэлектриков эффективно применение дуоплазматронного генератора плазмы с введением мелкодисперсной фракции в область между сжимающим электродом и анодом. Существенное повышение качества наносимых покрытий достигается вследствие пространственного разделения области испарения мелкодисперсного материала и области конденсации покрытия.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, из них 4 статьи (1 статья, опубликованная в ведущем рецензируемом научном издании, определенном ВАК), 9 работ - в трудах и материалах научно-технических конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 123 наименования, и 2-х приложений. Основная часть работы изложена на 123 страницах машинописного текста. Работа содержит 32 рисунка и 8 таблиц.

Содержание работы

Во введении кратко обоснована актуальность проблемы, ее научная новизна и научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер.

Улучшение качества выпускаемой продукции, повышение эффективности производства, за счет снижения трудоемкости и себестоимости, предполагает создание и внедрение в производство не только новой техники и материалов, но и прогрессивных технологий.

Нанесение пленочных покрытий посредством плазменных эмиссионных систем является одной из наиболее распространенных технологических операций в производстве изделий электронной и оптической промышленности, а также в машиностроении. Перечень технических задач, успешно решаемых с помощью наносимых покрытий, постоянно расширяется в связи с их высокими качественными показателями и с возможностью получения покрытий с широким спектром функциональных свойств.

Приводятся сведения о наиболее перспективных методах применения плазменных технологий нанесения покрытий из материалов, обладающих различными свойствами. Рассмотрены преимущества и недостатки ионно-плазменных методов нанесения различного рода покрытий.

На основе анализа литературных данных формулируются цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе приводится описание предложенной в работе модели для описания процессов в плазме низкого давления, при внесении в нее мелкодисперсного материала.

При введении в плазму низкого давления мелкодисперсных частиц в независимости от проводимости материала частицы, последние ведут себя как изолированное тело.

В квазистационарном случае, когда скорость изменения потоков частиц и их энергетические характеристики меняются не слишком быстро, интенсивность потоков электронов и атомных частиц в окрестности мелкодисперсной частицы будут определятся условиями стационарности поверхностного заряда частицы и соответствующим этому условию квазиравновесным потенциалом на ее поверхности относительно потенциала плазмы.

При построении моделей поведения мелкодисперсной частицы в плазме низкого давления были использованы следующие основные предположения и допущения:

1. В модели рассматриваются плазменные эмиссионные системы, при генерации газоразрядной плазмы в которых:

- исчезающе мала роль процессов объемной рекомбинации, а гибель заряженных частиц происходит на ограничивающих газоразрядный объем поверхностях и поверхности частиц, вносимых в плазму;

- генерация заряженных частиц в объеме газоразрядной камеры в основном осуществляется электронным ударом;

- соотношение средних энергий хаотического теплового движения электронов, ионов и нейтральных частиц определяется неравенством , где , - соответственно температуры электронной, ионной и атомной компонент плазмы.

2. В уравнениях модели функция распределения электронов (ФРЭ) записывается в виде суперпозиции ФРЭ для плазменных электронов и ФРЭ высокоэнергетической составляющей в виде смещенной Максвелловской функции или в виде дельта-функции.

3. Неоднородность концентрации плазмы по объему учитывается косвенно через введение среднего по объему значения концентрации.

4. На начальном этапе при записи уравнений модели не учитывается наличие химических реакций.

5. В модели принимается, что мелкодисперсная частица имеет сферическую форму.

6. При рассмотрении динамики поведения мелкодисперсной частицы в плазме низкого давления принимается, что последняя эквитемпературна.

7. При моделировании принимается, что мелкодисперсная частица не полностью испарившаяся в плазме покидает ее.

Проведен анализ баланса токов в исследуемой системе, который является фактором, определяющим модуль и знак падения напряжения между частицей микронных размеров и плазмой - u_сл. Его значение в дальнейшем необходимо знать для определения составляющих баланса мощности в изучаемой системе с учетом величины и знака скачка потенциала у поверхности частицы.

Изолированная частица, введенная в плазму низкого давления, будет заряжаться положительно или отрицательно относительно плазмы. В какой-то момент времени в результате диффузионного движения части электронов и ионов из плазмы к частице установится равенство электронного и ионного токов. Скачок потенциала u_cл около частицы с избыточным зарядом будет локализован в тонком слое газа, за пределами которого находится неискаженная плазма. Анализ баланса мощности и уравнения модели, описывающей тепломассообмен и кинетику процессов нагрева, плавления и испарения материала, в изучаемой системе рассматриваются для двух случаев:

- случай отрицательного падения потенциала у поверхности частицы (u_сл<0), когда Т< Т₁, т.е. температура тела (Т) меньше температуры T₁, при которой потенциал тела равен потенциалу плазмы (u_сл = 0);

- случай положительного падения потенциала у поверхности частицы (u_сл>0)., имеющий место при больших значениях тока эмиссии.

В главе производится анализ энергетических потоков, оказывающих влияние на скорость и эффективность процессов тепломассообмена в указанной системе.

Разработан и представлен вариант определения плотности потока эффективной мощности (энергии), подводимой из плазмы низкого давления к частицам материала без решения задачи в частных производных, с учетом отмеченных ранее особенностей процесса (наличия скачка потенциала у поверхности частицы - u_сл, эмиссионных явлений и др.), которые в известных нам моделях не изучались

В исследуемой системе представлена квазимолекулярная модель передачи тепла частицам вещества электронной и ионной компонентами плазмы при условиях, когда средняя длина свободного пробега частицы в плазме одного порядка (k_n=/d1, где k_n - критерий Кнудсена) или больше характерного размера (d) генератора плазмы (/d >1).

В третьей главе рассматривается динамика процессов в частице микронных размеров, введенной в плазму низкого давления, с учетом принятых ранее допущений. Изменение температуры частицы (рис 1.) во времени может быть найдено из решения нестационарного уравнения теплопроводности с учетом баланса энергии в пограничном слое у ее поверхности и изменения диаметра частицы за счет испарения и ионного (катодного) распыления.

Кинетика поведения материала частицы, введенной в плазменный поток, зависит от ее начальной температуры, агрегатного состояния, теплофизических свойств материала и микроскопических параметрами плазмы.

За счет энергии плазменного потока температура частицы начинает повышаться (рис. 1) до температуры плавления Т_пл. Затем в момент времени ₁ (рис.1) рост температуры прекращается, пока к частице не будет подведена энергия, обеспечивающая плавление всей массы частицы. Схема, иллюстрирующая изменение линейных размеров твердой и жидкой фаз в частице на стадии плавления приведена на рисунке 2. После плавления всей массы (точка на графике Т = Т(), соответствующая ₁ - рис.1) возобновляется дальнейший рост температуры, который происходит до тех пор, пока температура частицы не достигнет температуры кипения в момент времени ₃ Температура кипения будет предельной для макроскопической частицы. С течением времени, за счет подводимой энергии происходит испарение материала. В момент времени ₄ мелкодисперсная частица полностью испаряется.

	ТТ, К
Тисп
Тпл
То.с.
	ф1	ф2	ф3	ф4

ф, с

Рис. 1

d_тв, d_ж - диаметр твердой и жидкой фаз в частице; _тв, _ж - плотность твердой и жидкой фаз в частице.

Рис. 2

В четвертой главе с использованием, полученных ранее уравнений, были проанализированы процессы в газоразрядной камере с накаленным катодом и в металлической плазме вакуумного дугового разряда с интегрально холодным катодом.

В разрядах низкого давления, когда длина свободного пробега электрона л_е больше или равна d и выполняется условие , при эВ (или К), что имеет место в разряде без магнитного поля, плазменные электроны вносят значительный вклад в ионизацию газа, поэтому в уравнениях баланса частиц учитывается ионизация частиц и катодными, и плазменными электронами. Этот учет заключается во введении двугрупповой ФРЭ.

Скорость каждой реакции пропорциональна произведению концентраций взаимодействующих частиц и сечения взаимодействия, усредненного по распределению.

В общем виде сечение ионизации, усредненное по функции распределения электронов можно записать:

Система уравнений баланса частиц имеет вид:

уравнение сохранения числа частиц:

(1)

уравнение электронейтральности:

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

В уравнениях (3) - (6) левые части описывают уход, а правые - генерацию ионов соответствующего сорта.

Система (1) - (6) связывает с помощью шести уравнений восемь неизвестных: . Решить такую систему однозначно нельзя. На практике задаются значения , а значения определяются в результате решения указанной системы. Выбор в качестве параметра , а не сделан для упрощения решения системы уравнений. Результатом решения системы является набор значений , соответствующих заданным и . При введении в плазму нанодисперсной фракции, в нашем случае это был порошок SiO₂, параметры плазмы претерпевают значительные изменения. Произошедшие изменения были учтены при составлении и решении уравнений баланса частиц и уравнений баланса энергий.

На рис. 3 приведены изменение J_k=j_+k/j₊, и N_k=n_0k/n₀ с изменением плотности ионного тока (j₊) для Т_е=5 эВ и концентрации плазменных электронов м^-3.

Разработанные модели могут быть использованы также и при моделировании процессов в плазме, когда мелкодисперсная фракция генерируется непосредственно в разряде, а не вводится извне.

Рис. 3

Указанная ситуация реализуется в вакуумном дуговом разряде с интегрально холодным катодом, который, как известно, на ряду с электронами генерирует плазменно-паровой поток, содержащий капли с размерами в диапазоне от долей микрона до ста микрон.

При использовании теоретической модели процесса энергообмена сферических капель с неравновесной плазмой на примере вакуумного дугового разряда с титановым катодом показано, что в определенном диапазоне параметров плазмы могут реализовываться два различных режима поддержания квазистационарной температуры капли. В одном из них поток энергии из плазмы на каплю уравновешивается охлаждением за счет термоэмиссии электронов, во втором - за счет интенсивного испарения плазмы. Между этими двумя режимами, имеющими определенные квазистационарные температуры, располагается область температур, которой соответствуют неустойчивые состояния. Конкретная реализация того или другого режима определяется начальной температурой капли. При расчете теплообмена капли с окружающей плазмой существенное значение играет то обстоятельство, что горячая капля может испускать электроны термоэмиссии. Если этот процесс становится интенсивным, то существенно меняется потенциал капли относительно плазмы. От величины потенциала экспоненциально зависит ток плазменных электронов на каплю, а значит, и поток тепловой энергии. В результате эмитирующая капля может разогреваться до более высоких температур, чем это имеет место для неэмитирующей капли. Таким образом, можно выделить два режима теплообмена капли с плазмой: обычный режим со сравнительно большим отрицательным плавающим потенциалом капли, когда основным каналом потерь энергии с капли является тепловое излучение; и эмиссионный режим с низким по сравнению с тепловой энергией электронов kT_e значением плавающего потенциала, когда основным каналом теплоотвода является поток испаренных атомов и эмитированных электронов.

Легкоиспаряемые металлы, не имеют участка с неоднозначным решением для температуры. Это объясняется тем, что у таких металлов теплоотвод за счет испарения стабилизирует температуру капли прежде, чем появляется поток термоэлектронов, способный уменьшить плавающий потенциал капли, а значит и увеличить поток тепловой энергии из плазмы. Полученные результаты коррелируют с данными других авторов.

Глава 5 посвящена описанию результатов экспериментального определения возможности использования плазменной эмиссионной системы на базе разряда низкого давления, в которой формируется ФРЭ с высокоэнергетичным «хвостом» для нанесения покрытий из материалов в мелкодисперсной фазе. В качестве базовой плазменной эмиссионной системы был выбран дуоплазматрон. В силу того, что в дуоплазматроне разрядный ток протекает в электродной системе, содержащей сужения, в разряде могут возникать неустойчивости, приводящие к неустойчивости разряда, на первом этапе были выполнены исследования по определению предельных режимов существования разряда в дуоплазматроне.

Характерной особенностью эмиссионной системы дуоплазматронного типа является контрагирование разряда за счет использования сжимающего электрода и магнитного поля. В связи с этим максимальный стабильный ток разряда в системах данных типов сверху ограничен явлениями нестабильного токопротекания, а в предельном случае и обрывом тока разряда. При токах разряда, меньших критического, сужение играет положительную роль, так как в контрагированной прианодной плазме концентрация плазмы на 1-2 порядка превышает таковую в области катода. Возникающий перед сужением со стороны катода двойной электрический слой ускоряет катодные электроны до энергии в десятки электрон-вольт, за счет этой группы электронов возрастает скорость генерации ионов вблизи анодного отверстия.

Необходимым условием существования разряда является выполнение условия баланса ионов, образующихся в разрядном промежутке, и ионов, уходящих из разряда. При нарушении этого условия разряд резко изменяет форму, что получило название обрыва тока разряда низкого давления. В рассматриваемой модели процессов, приводящих к обрыву тока в дуоплазматроне принимается, что первопричиной цепочки явлений, приводящих в конечном счете, к нарушению протекания тока через сжимающий электрод, является выдувание газа из области сужения за счет упругих соударений потока электронов движущихся от катода к аноду.

Наибольший интерес представляет определение критической плотности тока и энергии электронов, соответствующих предобрывному состоянию разряда, т.к. по литературным данным в этом режиме дуоплазматрон является наиболее эффективным генератором как однозарядных, так и многозарядных ионов.

В экспериментах величина тока разряда медленно увеличивалась до достижения момента обрыва тока. При помощи измерительного прибора фиксировалась максимально достижимая величина тока. По полученным значениям и известным размерам сужения в контрагирующем электроде была вычислена плотность тока обрыва в дуоплазматроне.

Результаты, полученные в ходе расчетов по модели, учитывающей условия протекания токов, близких к критическим в дуоплазматроне, а также данные экспериментальных исследований позволили сделать следующие выводы:

1. Величина энергии электронов в плазме разряда низкого давления, контрагированного при помощи электрода с сужением зависит от отношения тока разряда к давлению газа в разрядном промежутке и увеличивается с ростом этого отношения.

2. Максимально достижимая энергия электронов в разряде определяется возникновением неустойчивости в прианодной плазме. Величина этой энергии уменьшается при увеличении начального давления в области сужения.

3. Расчетные соотношения, устанавливающие связь между параметрами разрядного промежутка и величинами плотности тока и энергии электронов плазме положительного столба и позволяющие определять максимально достижимые в разряде низкого давления плотности тока и энергии электронов удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными.

Для экспериментального изучения возможности нанесения пленок была разработана конструкция специализированного дуоплазматрона, в которой была предусмотрена возможность введения мелкодисперсных порошков в пространство между сжимающим электродом и анодом.

Совокупность конструкторских решений обусловила отличительные черты предложенного метода напыления пленок различных материалов:

- разделение по давлению разрядной камеры, реакционного объема и камеры конденсации за счет введения в конструкцию диафрагм и реактора-испарителя с плазменным и паровым капиллярами;

- повышение степени ионизации плазмообразующего газа за счет реализации дугового контрагированного разряда низкого давления;

- объединения функций испарения и ионизации. В предложенном методе нагрев, плавление и испарение мелкодисперсной фракции материала, ионизация паров и их перенос к подложке осуществляется одним и тем же плазменным потоком;

-повышение степени ионизации парового потока в процессе повторного контрагирования перед конденсацией на подложке за счет введения дополнительного анода с паровым капилляром.

В работе были рассчитаны параметры плазменного генератора типа дуоплазматрон для случая дугового контрагированного разряда с Т_е =5 эВ и тока разряда I=30А по предложенной в предыдущих главах модели.

Скорость испарения нанодисперсного материала, состав паровой фазы, физико-химические и физические свойства осаждаемых пленок в основном определяются значениями таких параметров плазмы, как температура и плотность тока. Значения указанных параметров в свою очередь зависят от геометрии электродов плазменного генератора и технологических режимов работы устройства (электрической мощности, состава плазмообразующего газа, массового расхода, давления в реакторе-испарителе).

Рассчитанные основные интегральные параметры плазменной эмиссионной системы дуоплазматронного типа, которые позволяют выбрать оптимальные параметры плазмы для мгновенного и полного испарения мелкодисперсных материалов в плазме низкого давления, которые приведены в таблице 1.

Таблица 1 Оптимальные условия мгновенного испарения порошков стекла СЧ1-1, резистивного сплава РС-4800 и кермета К-50С.

Iр, А	45ч60	30ч45	30ч35	25ч30
U, В	260ч300	260	260ч300	300ч320
Pр, Торр	1*10-2	3*10-2	1*10-3	5*10-2

Исследование состава и микроструктуры наносимых пленок из порошков стекла СЧ1-1, резистивного сплава РС-4800 и кермета К-50С показало, что ФХСП и исходных материалов достаточно близки. Исследование электрофизических свойств пленок показало, что сопротивление полученных пленок на 1-2 порядка больше, чем при термическом испарении. мелкодисперсный микронный плазма

Заключение

В работе получены следующие основные результаты:

1. Построена самосогласованная микроскопическая модель для описания физико-химических превращений, тепломассообмена и кинетики процессов нагрева, плавления и испарения в системе «плазма низкого давления - нанодисперсная частица», позволяющая:

- качественно и количественно описывать тепломассообмен в указанной системе при учете величины и знака скачка потенциала у поверхности частицы, интенсивности эмиссионных явлений, процессов ионного распыления;

- рассчитывать время испарения мелкодисперсных частиц, а также изменение массы и линейных размеров частицы с ростом температуры ее поверхности и с учетом фазовых превращений и эмиссионных процессов.

2. Разработанная модель позволила рассчитать зарядовый состав ионной компоненты плазмы в газоразрядной камере с накаленным катодом при больших плотностях тока.

3. С помощью разработанной модели были получены данные по поведению капельной фракции в металлической плазме вакуумного дугового разряда с интегрально холодным катодом.

4. Исследованы предельные режимы протекания тока в разряде с двойным контрагированием. Получены расчетные соотношения, устанавливающие связь между параметрами разрядного промежутка и величинами плотности тока и энергии электронов в плазме положительного столба и позволяющие определять максимально достижимые в разряде низкого давления плотности тока и энергии электронов.

5. Выполненные эксперименты по нанесению пленок из мелкодисперсных материалов в плазменной эмиссионной системе типа дуоплазматрон показали адекватность разработанных моделей и перспективность использования дуоплазматрона на постоянном токе для нанесения пленок из резистивных сплавов и диэлектриков.

Публикации по теме диссертации

1. Барченко, В.Т. Исследование закономерностей испарения частиц микронных размеров в плазме низкого давления/ В.Т. Барченко, О.И. Гребнев// 59-я науч.-техн. конф., посвященная Дню Радио; г. С.-Петерб., 2-27 апр. 2004 г.: сб. материалов. - СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2004 . - С. 168-171.

2. Барченко, В.Т. Испарение частиц микронных размеров в плазме низкого давления/ В.Т. Барченко, О.И. Гребнов// Вакуумная техника и технология: Ежегод. науч.-техн. семинар: сб. материалов ; С.-Петерб., 1-3 июня 2004 г.. - СПб.: «ИНТЕКВАКУУМ», 2004 - С. 34-35.

3. Барченко, В.Т. Исследование эффекта усиления плазменного тока/ В.Т. Барченко, О.И. Гребнев, Ю.М. Кислуха// 58-я науч.-техн. конф., посвященная Дню Радио и 300 - летию Санкт-Петербурга, г. С.-Петерб., 5-25 апр. 2003 г.: сб. материалов. - СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2003. -С. 170 - 172.

4. Барченко, В.Т. Режимы теплообмена макрочастицы в неравновесной плазме/ В.Т. Барченко, О.И. Гребнев// Быстрозакаленные материалы и покрытия: 3-я Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием; г. Москва, 23-24 нояб. 2004г.: сб. материалов. - М.: МАТИ - РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2004. - С. 94-99.

5. Барченко, В.Т. Моделирование процесса испарения порошковах материалов в разрядах низкого давления./ В.Т. Барченко, О.И. Гребнев // 60-я науч.-техн. конф., посвященная Дню Радио, г. С.-Петерб., 05-27 апр. 2005г.: сб. материалов - СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», С. 173 - 174.

6. Гребнев, О.И. Процессы тепломассообмена нанодисперсной фракции в плазме низкого давления/ О.И. Гребнев // Актуальные аспекты нанотехнологии: 8-я науч. молодежная школа по твердотельной электронике, г. С.-Петерб., Репино, 27-29 мая 2005 г.: сб. материалов - СПб.:изд-во ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, 2005 - С. 39.

7. Барченко, В.Т. Моделирование процесса испарения вещества в нанодисперсной фазе/ В.Т. Барченко, О.И. Гребнев// Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», сер. «Физика твердого тела и электроника», 2006. - №1. - С. 17-23.

8. Гребнев, О.И., Моделирование процесса испарения в нанодисперсной фазе/ О.И. Гребнев // 61-я науч.-техн. конф., посвященная Дню Радио; г. С.-Петерб., 2-27 апр. 2006 г.: сб. материалов. - СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006 - С.175 - 176.

9. Барченко, В.Т. Моделирование процессов в плазме, содержащей нанодисперсную фракцию/ В.Т. Барченко, О.И. Гребнев, В.А. Кузнецов // Плазменная эмиссионная электроника: Труды 11 междунар. крейнделевского семинара - Улан-Удэ, 27-29июня 2006 г.: Изд-во БНЦ СО РАН, 2006. - С. 54.

10. Барченко, В.Т., Моделирование процесса испарения вещества в нанодисперсной фазе/ В.Т. Барченко, О.И. Гребнев// Проблемы проектирования и производства радиоэлектронных средств: IV-я междунар. науч.-техн. конфг. Новополоцк, 25-26 мая 2006 г.: сб. материалов; - Новополоцк: Изд-во Полоцкий государственный университет, 2006 г.- Т. 2. - С. 253-254.

11. Барченко, В.Т., Моделирование процесса испарения вещества в нанодисперсной фазе/ В.Т. Барченко, О.И. Гребнев// Новые материалы и технологии НМТ-2006: Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием : сб. материалов; -г. Москва, 21 -23 нояб. 2006 г. - М.: изд-во ФТИ им. Иоффе РАН - Т. 2 - С.51-52.

12. Барченко, В.Т. Режимы теплообмена макрочастицы в неравновесной плазме/ В.Т. Барченко, О.И. Гребнев// 5-я Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием; г. Москва, 12-13 дек. 2006 4 г.: сб. материалов. - М.: МАТИ - РГТУ им. К.Э. Циолковского - С. 389-395.

13. Барченко, В.Т., Моделирование процесса испарения вещества в нанодисперсной фазе/ В.Т. Барченко, О.И. Гребнев// Физика низкотемпературной плазмы-2007: Материалы Всерос. конф., 24-28 июня 2007г.: сб. материалов. - Петрозаводск: изд-во ПетрГУ, 2007 г. - Т. 1 - С. 110-114.

Размещено на Allbest.ru

...