不同流速对LTE态下氢等离子体特性的研究

采用二维流体力学模型研究了多级直流弧放电装置中流速对处于局部热平衡状态下氢等离子体特性的影响。分析了氢等离子体中心轴线处电场和压强的分布情况;各粒子密度在通道中的分布状态;通道出口处等离子体温度以及电导率的分布情况。模拟结果表明,随着流速的增大,中心轴线处电场和压强均增大;通道中氢等离子体的各粒子密度变化很小;通道出口处等离子体温度以及电导率在出口处沿径向的分布影响不大。

电流对多级弧放电装置中的氩等离子体

使用PLASIMO模拟了不同外加电流对多级弧放电产生的非热平衡下的氩等离子体特性的影响。在模拟中,腔体两端所加电流分别为30,50,70和90 A;模拟结果表明,在模拟区域内,电子密度呈先增大后减小的趋势,并且随着外加电流的增加,中心轴线上出口处的电子密度、电子温度和重粒子温度均逐渐增大。电子的电导率和电子以及重粒子的热导率也随着外加电流的增加而增大。

钨等离子体平均离化度研究

用SHML模型计算了在局域热力学平衡条件下钨等离子体在温度为0．3～10keV、密度为0．001～O．1g·cm-3范围内的平均离化度，研究了钨等离子体平均离化度随温度、密度的变化规律。结果表明，钨等离子体的平均离化度随着密度的增加而减小，随着温度的升高而增大，并且在增大的过程中出现了三个平台。研究了电离势对离化度的影响，解释了出现平台的原因。

Ar流速对多级弧放电装置中Ar等离子特性的影响

采用PLASIMO程序模拟了入口处Ar流速对多级弧放电产生的非热平衡Ar等离子体特性的影响。模拟结果发现:从入口处到出口处,沿中心轴线,压强逐渐降低,电子平均能量基本保持不变。当流速一定时,从器壁到中心轴线处,电子数密度呈增大趋势;从入口处到出口处,电子数密度呈先增大后减小的趋势;当流速分别为50,100,150和200cm3/s时,电子数密度最大值分别为10.13×1021,16.31×1021,18.98×1021和26.33×1021 m-3;随着流速的增大,其电子数密度逐渐增大。当流速一定时,从器壁到中心轴线处,电子温度逐渐增大;从入口处到出口处,电子温度呈先增大后减小再增大的趋势,并在中心轴线处距入口55～60mm有最大值,当流速分别为50,100,150和200cm3/s时,其最大值分别为1.299,1.234,1.157和1.132eV;由于入口处和器壁处的电子温度都为0.517eV,所以随着Ar流速的增大,其电子温度逐渐减小。当Ar流速一定时,从器壁到中心轴线处,离子温度逐渐增大;从入口处到出口处,离子温度呈先增大后减小的趋势,并且在中心轴线距入口20～30mm离子温度取得最大值,当流速分别为50,100,150和200cm3/s时,离子温度最大值分别为0.815 6,0.907 02,0.975 2和1.014eV。随入口处流速的增大,电弧腔体内的离子温度逐渐增大。

分子动力学模拟入射角度对F离子与β-SiC表面相互作用的影响

本文采用分子动力学方法模拟了不同入射角度对F离子与SiC表面相互作用的影响,模拟选择的入射能量为10 eV,入射角度分别为15?、30?、45?、60?和75?。模拟结果显示,F离子的沉积率随入射角度的增加而减小。当入射角度为45°时,Si原子和C原子的刻蚀率最大,且Si原子的刻蚀率大于C原子。在相互作用过程中,SiC表面形成一层Si-C-F反应层,反应层厚度随入射角度增加而减小,并且其主要成分是SiF和CF。

F原子与Si表面相互作用的动力学研究

采用分子动力学方法模拟了F原子与Si表面相互作用,F原子入射能量分别为0.3,1,3,5,7和9 eV。在模拟过程中,F原子的沉积率与Si表面悬键密度有关,而Si原子的刻蚀率与表面晶格结构破坏程度有关,随着Si原子刻蚀率的增加,样品高度降低。在不同能量F原子作用下,样品Si表面形成Si-F反应层。Si-F反应层的厚度随入射能量的增加而增加,其组成成分对产物有至关重要的影响。

聚变堆中碳原子在碳氢薄膜表面再沉积行为的分子动力学模拟研究

利用分子动力学方法模拟了碳原子与碳氢薄膜的作用过程。探讨了不同入射能量对碳原子与碳氢薄膜相互作用的影响。模拟结果表明碳原子与碳氢薄膜作用会在表面形成碳薄膜。随着入射能量的增加,碳薄膜厚度变薄。在碳薄膜中碳原子的成键形式主要为Csp2-Csp2和Csp2-Csp3,随入射能量的增加,碳原子键价结合形式从Csp2-Csp2向Csp2-Csp3转化。

分子动力学模拟样品温度对F刻蚀SiC的影响

利用分子动力学模拟方法研究了在低能F原子刻蚀SiC表面过程中样品温度对刻蚀的影响。由模拟结果可知,随着温度的升高,F在样品表面的沉积量和散射量均呈下降趋势,而发生溅射的F的量和与样品作用生成挥发物质的F的量逐渐增加。Si的刻蚀量均随着温度的升高而升高。样品中Si原子的刻蚀主要是通过生成SiF4得以实现的,C原子的刻蚀主要是通过生成CFx(x=1～3)等挥发性物质实现的。

Ar＋与氟化的Si样品相互作用机制的研究：分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟了Ar+与表面含有C,F反应层的Si样品的相互作用过程,以了解Ar+与氟化的Si的作用机制。为了和相对应的实验结果做比较,选择了两种样品,表面富F样品和表面富C样品。模拟结果表明,对于表面富F样品,能清楚地看到Si的刻蚀且随着入射能量的增加Si的刻蚀增加。当入射Ar+数量到达一定程度后Si的刻蚀完全停止。对于富C样品,几乎没有发生Si的刻蚀,这是由于Si-C键对Si的刻蚀起阻碍作用。

C^+轰击铍的分子动力学模拟

使用分子动力学模拟方法研究了入射能量对C+离子与Be样品表面相互作用的影响。模拟结果表明,随着C+离子的入射能量增大,C+离子注入深度也增加,Be原子的溅射产额近似线性增加,而滞留在样品中的C原子数量变化不大,在C+离子轰击Be样品的初始阶段,样品中Be原子的溅射产额较大,而随着C+离子注入剂量的增加,Be原子的溅射产额逐渐减小并趋于稳定。在此作用过程中,在样品表面形成一个富C层,减缓了样品中Be原子的溅射速率,起到了保护Be样品的作用。

Ar射频放电特性随时间演化的PIC／MCC模拟

采用等离子体粒子模拟方法(PIC/MCC)方法对一维模型模拟了容性耦合等离子体(CCP)源放电过程中等离子体的动力学行为。在模拟氩气放电的过程中,综合考虑了电子与Ar之间的弹性碰撞、激发、电离以及Ar与Ar+之间的弹性碰撞和电荷交换过程。由模拟结果可知,射频极板附近鞘层区域在极短时间内形成,其厚度随着时间的增加而增厚;而射频极板处的粒子通量随着时间的增加逐渐减小。经过一段时间后,射频极板处平均粒子通量、平均电流以及鞘层平均厚度逐渐趋于平衡。在鞘层区域电流主要由位移电流构成,在等离子体区域电流主要由传导电流贡献。最后讨论了达到平衡态后等离子体密度、电势、电场强度和能量的空间分布情况。

分子动力学模拟不同入射能量的CH与碳氢薄膜的相互作用

本文使用分子动力学方法模拟低能CH与碳氢薄膜的相互作用,以探讨在核聚变过程中CH的再沉积行为及对面向等离子体材料性质变化的影响。选择的入射能量分别为0.3,1,5,10 eV。模拟结果表明随着入射能量的增加C原子与H原子的吸附率增加,且在入射能量大于CH离解能的情况下,同一能量下H原子的吸附率小于C原子的吸附率。随着入射能量的增加,薄膜的厚度增加,薄膜中含有Csp2的范围变宽,并且表面逐渐转变为Csp2表面。薄膜中的C主要以Csp3形式存在,其次是Csp2,几乎不含Csp1。通过统计薄膜中的CHx（x为1~4）发现CH占优势,其次是CH2,而CH4的量非常少。

聚变堆中H刻蚀碳氢薄膜的分子动力学模拟

使用分子动力学方法模拟了低能H原子与碳氢薄膜的作用过程,以了解基于核聚变装置中等离子体与C基材料的相互作用机制。模拟中使用REBO(reactive empirical bond order)势函数来描述C-H体系中原子间的相互作用,并使用Berendsen热浴来控制体系的温度。文中着重探讨了入射能量对低能H原子刻蚀碳氢薄膜的影响,入射能量分别为0.3,1,5和10eV。模拟结果显示随着入射能量的增加,H原子的吸附率增加,C原子和H原子的刻蚀率增加。同一能量下H原子比C原子更易发生刻蚀。通过讨论发现在H原子与碳氢薄膜作用过程中,当能量大于1 eV时,由于入射的H原子先沉积在表面并与表面原子发生反应形成碳氢化合物,然后在后续入射粒子的轰击下碳氢化合物在表面发生解吸附现象,从而导致了C原子的刻蚀,因此C原子的刻蚀发生主要是化学增强的物理溅射。

入射能量对H2^＋与SiC表面相互作用影响的分子动力学模拟

用分子动力学方法研究了入射能量对H2+与SiC样品表面相互作用的影响。模拟结果表明,在H2+轰击SiC样品表面的初始阶段,样品中H原子的滞留量增加较快,其后,增加的速率减慢,并逐渐趋于饱和。入射能量越大,样品中H原子的滞留量也就越大。样品在H2+的轰击下,样品Si、C原子会发生刻蚀。入射能量越大,Si和C原子的刻蚀量越大。在相同入射能量下,Si原子的刻蚀量大于C原子。生成的产物中,以H,H2和SiH4为主;产物H2的量随着能量的增加而减小。其他产物随着入射能量的增加而增加。

样品温度对Ar^+与SiC样品表面相互影响的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究了样品温度对Ar+与SiC样品表面相互作用的影响。由模拟结果可知,SiC样品中Si原子的溅射产额随着温度的升高而增加,而温度对C原子的溅射产额影响不大。在相同温度下,Si原子的溅射产额要高于C原子的溅射产额。溅射出来的Si原子和C原子主要来源于样品的表层区域,样品中的Si和C原子密度、键密度及它们的成键方式也发生了较大的变化。初始样品中Si和C原子的密度是均匀的,而被轰击过后的样品表面Si原子的密度要高于C原子,而样品中部C原子的密度要高于Si原子。初始样品都是Si-C键,成键方式为Si-Csp3;被轰击过后又有Si-Si和C-C键,成键方式也发生了变化,还有Si-Csp1和Si-Csp2。

入射角度对Ar^+与SiC表面相互作用影响的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究了入射角度对Ar+与SiC样品表面相互作用的影响。由模拟结果可知,入射角度对样品原子溅射影响很大。随着入射角度的增大,Si原子和C原子的溅射量先增加后减小。相同入射角度下,Si原子的溅射阈值比C原子的小,Si原子的溅射量大于C原子的溅射量。初始样品在Ar+以不同角度轰击2000次后的形貌各异。产物中主要以Si原子和C原子为主,有少量的Si类和C类产物。入射角度对产物Si原子的角度分布几乎没有影响,而对产物C原子的角度分布有较小的影响。

分子动力学模拟不同入射能量的SiF_2与SiC的相互作用

采用分子动力学模拟方法研究了入射能量对SiF2与SiC样品表面相互作用的影响。本次模拟选择的入射初始能量分别为0.3,1,5,10和25 eV。模拟结果显示SiF2分解率与Si和F原子的沉积率有密切的关系。沉积的Si和F原子在SiC表面形成一层SixFy薄膜。随入射能量的增加,薄膜厚度先增加后减小,薄膜中Si-Si键密度增大。构成薄膜的主要成分SiFx（x=1-4）中主要是SiF和SiF2,随入射能量的增加,薄膜成分由SiF2向SiF转变。

样品温度对SiF_3^+与SiC表面相互作用影响的分子动力学研究

用分子动力学模拟方法研究样品温度对入射能量150 eV、45°入射的SiF_3^+与SiC表面的相互作用过程的影响。模拟中使用Graves等开发的用于Si-F-C体系的Tersoff-Brenner势能函数。模拟结果显示,所有温度下入射SiF_3^+与SiC表面相互作用后全部发生分解,绝大多数分解产物沉积于SiC表面。随Si和F在表面的沉积,SiC表面形成Si_xF_yC_z反应层。在温度300、500、700、900 K时,SiC中Si的刻蚀率分别为0.061、0.080、0.085、0.104,C的刻蚀率分别为0.019、0.030、0.034、0.039。SiC中Si比C更易被刻蚀,这和实验结果一致。主要含Si刻蚀产物为SiF_2,含C刻蚀产物为Si_xF_yC_z。主要的刻蚀机制为化学增强的物理溅射。

分子动力学模拟不同入射角度的SiF_3^+对SiC表面的作用

采用分子动力学模拟方法研究了300K入射能量150eV时,以不同角度(5°、30°、60°和75°)入射的SiF3+与SiC表面的相互作用过程。模拟中使用了用于Si-F-C体系的Tersoff-Brenner势能函数。模拟结果显示,入射SiF3+与SiC表面相互作用后会分解,分解率随着入射角度的增加而减小。分解产物除少量散射外,大部分会沉积在SiC表面,Si和F在SiC表面的平均饱和沉积量随入射角度的增加而减少。随着SiF3+不断轰击SiC表面,SiC表面会形成Si-F-C反应层,且反应层厚度随着入射角度的增加而减少。同时发现SiC中的Si原子较C原子更容易被刻蚀,与实验结果一致。当刻蚀达到稳定,入射角度为5°、30°、60°和75°时,C的刻蚀率分别约为0.026、0.038、0.018、0.005,Si的刻蚀率分别约为0.043、0.051、0.043和0.023。各入射角度下,产物分子种类主要为F、SiF和SiF2。F和SiF产物量随入射角度增加而增加,而SiF2产量随入射角度增加而减少。在入射角度等于5°和30°时,SixFyCz是主要的含C产物;而在入射角度等于60°和75°时,CF是主要的含C产物。在入射角度等于5°和30°时,SiF2是主要的含Si产物;在入射角度等于60°和75°时,SiF是主要的含Si产物。刻蚀主要通过化学增强的物理溅射进行。

分子动力学方法的模拟参数对结果的影响

主要研究了利用分子动力学方法(MD)模拟等离子体与材料表面相互作用过程时分子动力学方法的参数对模拟结果的影响。详细分析了Berendsen热浴的应用时间、耦合强度和模拟时间量(单个轨迹的作用时间、弛豫时间)对模拟结果的影响,结果表明,热浴的应用时间对模拟结果的影响很大,而其它参数对模拟结果没有太大的影响。