Введение к работе
Актуальность. Диссертационная работа посвящена исследованию поведения сильноскоррелированной системы заряженных твердых частиц в низкотемпературной плазме газового разряда. Физика пылевой плазмы является в настоящее время активно развивающейся областью фундаментальной науки. Исследование поведения макрочастиц в плазме необходимо для ряда прикладных задач, связанных с микроэлектроникой, в частности с удалением нежелательных частиц пыли при производстве микросхем, при плазменном напылении, с сепарацией частиц по размерам, разработкой новых высокоэффективных источников света, рабочим телом в которых являются твердые частицы. Наконец, вполне реально создание технологий, которые позволят осуществлять контролируемое осаждение взвешенных в плазме частиц на подложку и тем самым создавать покрытия с особыми свойствами, в том числе пористые и композитные, а также формировать частицы с многослойным покрытием из материалов с различными свойствами. Поэтому исследование свойств пылевой плазмы, а именно газоразрядной высокочастотной плазмы с пылевыми частицами представляется весьма актуальной задачей. Значительный интерес представляет также исследование кристаллических структур в газовом разряде, которые являются уникальными макроскопическими объектами, позволяющими экспериментально наблюдать переход кристалл - жидкость -газ в кулоновских системах.
Целью работы является исследование переходных процессов в сильноскорелированной пылевой плазме в высокочастотном газовом разряде. Для описания явления плавления плазменного кристалла в приэлектродном слое емкостного ВЧ разряда связанного с направленным потоком ионов и несимметричным экранированием заряженных частиц, были предложены физические модели взаимодействия частиц с окружающей плазмой. С использованием данных моделей проведен анализ развития неустойчивости и плавления кристалла. Пылевые частицы размером от нескольких нанометров до нескольких микрон присутствуют в газоразрядной плазме в различных концентрациях и по разному влияют на характеристики разряда. Данная проблема является междисциплинарной и требует кинетического описания, как физики газового разряда, так и понимания законов поведения классических кулоновских систем. Поэтому для адекватного описания физики газового разряда разработан новый комбинированный алгоритм для кинетического моделирования высокочастотного газового разряда без частиц и с наночастицами. Отдельно проведены исследования структуры и плавления низкоразмерных кулоновских кластеров и кристаллов с различными парными потенциалами взаимодействия.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- Исследовано развитие неустойчивости в кристалле заряженных микрочастиц в приэлектродном слое высокочастотного газового разряда.
Показано, что неустойчивость кристалла является следствием несимметричного экранирования микрочастиц в потоке ионов. Предложена модель несимметричного потенциала взаимодействия между микрочастицами с использованием которой найдены критические параметры развития неустойчивости, а также описан сценарий плавления кристалла с переходом через "горячее" кристаллическое состояние.
- Найдены геометрические размеры, положение кристалла и заряд
микрочастиц, а также исследовано влияние присутствия кристалла на разряд
с использованием самосогласованных расчетов газового разряда с
кристаллом микрочастиц в приэлектродном слое.
На основе линейного анализа кинетического уравнения для столуновительного движения ионов предложены параметры подобия для описания экранирования заряженных частиц в потоке ионов. На основе кинетических расчетов обнаружено, что сила действующая на заряженные частицы со стороны ионного потока (ионная тяга) может иметь отрицательное значение, т.е. может действовать как вдоль, так и против направления потока ионов в зависимости от параметров системы.
- Для моделирования ВЧ разряда разработан новый комбинированный
PIC-MCC алгоритм, в котором, кроме кинетических уравнений для движения
электронов и ионов, решаются уравнения неразрывности для плотностей
и потоков электронов и ионов, основанные на моментах кинетических
уравнений. Метод особенно эффективен при низком давлении газа и высокой
мощности разряда и позволяет значительно ускорить расчеты.
С использование нового комбинированного PIC-MCC метода исследован переход между различными режимами горения ВЧ разряда в метане. Построена диаграмма областей существования объемной и емкостной мод горения разряда в зависимости от давления газа и тока разряда. Обнаружен гистерезис в поведении разряда при переходе между двумя модами горения разряда. Рассмотрен также ВЧ разряд с наночастицами различного радиуса. Показано, что присутствие частиц с увеличением их радиуса приводит к изменению моды горения разряда.
При анализе плавления двухслойных классических кристаллов с решетками прямоугольного, квадратного, ромбического и гексагонального типа обнаружена повышенная устойчивость кристалла с квадратным типом решетки, которая объясняется большой энергией образования дефектов, генерируемых при плавлении. Исследована корреляция спектра основного состояния низкоразмерных структур (на примере кольцевого кластера) с температурой плавления и структурой кластера. Показано, что большие минимальные собственные частоты comin соответствуют структурам с плотной упаковкой и высокой температурой плавления, тогда как слоистые кластеры имеют наименьшие comin и очень низкую температуру плавления.
Исследованы свойства нанокластеров на примере окиси кремния в зависимости от числа атомов. Показано, что меньшие по размеру кластеры имеют большую плотность, более высокое внутреннее давление, и меньшую температуру плавления.
Достоверность полученных результатов обусловлена сравнением с данными лабораторных экспериментов, сопоставлением с теоретическими результатами других авторов, тщательным тестированием программ и контролем точности полученных результатов.
Практическая значимость. Разработанные модели физических процессов и реализованные в виде программ алгоритмы расчетов позволяют исследовать достаточно широкий круг проблем высокочастотной газоразрядной плазмы с заряженными частицами. Результаты расчетов могут быть использованы при анализе данных экспериментов в лабораторной газоразрядной плазме и в плазмо-стимулированных технологических процессах.
Апробация работы. Диссертация выполнена в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича. Основные результаты работы докладывались на семинарах ИТПМ СО РАН (Новосибирск), на семинаре кафедры физики плазмы в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете (Санкт-Петербург), на семинаре теоретического отдела Института общей физики им. A.M. Прохорова РАН (Москва), на заседании отдела N3 (пылевой плазмы) Объединенного института высоких температур (Москва), на заседании Совета ОМЭ Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, на семинарах отдела физики твердого тела университета г. Антверпена (Бельгия). Основные результаты диссертации докладывались более чем на 30 международных и российских конференциях. Результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 42 статьях [1-42] в реферируемых журналах.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем диссертации составляет 276 страниц, включая 125 рисунков в тексте.
