等离子体浸没离子注入(PIII)过程中初始离子阵鞘层尺度内各物理量的时空演化

等离子体浸没离子注入(PIII)是用于材料表面改性的一种较新的、廉价的、非视线的技术。靶体被浸没在等离子体中,等离子体中的离子在靶体负脉冲偏压的作用下注入靶体而实现材料的表面改性。为了描述等离子体浸没离子注入过程,我们引用了一维粒子模型(PIC)对其进行了数值模拟,该模型通过求解空间电势的Poisson方程,电子的Bolzmann分布以及离子在网格中受力运动的Newton运动方程来完成。本文重点研究了一个初始离子阵鞘层内电势、离子浓度、离子注入靶体的速度和动能以及离子流密度的时空演化规律。

凹模内腔等离子体离子注入数值仿真—(Ⅰ)脉冲宽度效应

模具表面改性日益受到人们重视。本文采用二维Particle-in-cell/Monte Carlo Collision模型对等离子体浸没离子注入处理凹模型腔内表面的鞘层动力学及均匀性进行了研究。考察了电压脉宽对鞘层中电势分布、离子的运动状态以及型腔内表面离子注入剂量、能量和角度的空间分布的影响。结果表明随着电压脉宽的增加,凹模型腔内表面的注入剂量不均匀性增加,同时注入到内表面的高能离子数目也增加。脉冲宽度变化对注入角度影响不大,离子以接近垂直的入射角度注入到型腔底部,而在侧壁上离子注入角度接近45°。当脉冲宽度较大时,发现少部分注入到侧壁上的离子以一定角度从下往上注入到样品表面,这是由于碰撞效应造成的。从能量和剂量的角度,存在一个合适的脉冲宽度,过大的脉宽会引起剂量不均匀性增加,同时离子注入能量也会下降。

凹模内腔等离子体离子注入数值仿真——(Ⅱ)工作气压的影响

模具表面改性对提高模具使用寿命和生产率有着十分重要的意义。本文采用二维Particle-in-cell/Monte Carlo colli-sion模型对不同气压下等离子体离子注入处理凹模型腔内表面的鞘层动力学进行研究。考察了气压变化对电势分布、离子运动状态及凹模型腔内表面离子注入剂量、能量和角度分布的影响。计算结果表明随着气压的上升,凹模周围的鞘层厚度变薄;随气压上升,凹模型腔底部和顶部端面离子注入剂量和平均注入能量下降,在型腔侧壁上,离子注入剂量和平均注入能量先上升后下降。注入到型腔侧壁和凹模顶部端面上的离子平均注入角度随气压上升而趋向于垂直入射,型腔底部平均注入角度随气压上升略有增大。研究结果表明通过引入一定的碰撞(变化气压)来改善剂量和能量的均匀性是可行的。

方管内表面等离子体离子注入动力学GPU-PIC仿真

内表面改性近年日益受到人们重视。本文采用基于Graphic Processing Unit(GPU)的Particle-in-cell(PIC)模型对方形管内表面的离子注入动力学过程进行数值仿真研究。结果表明在注入过程中,辅助地电极周围形成离子空穴,随时间延长,离子空穴发生交联并不断扩展,直至所有离子注入到方管内壁。离子空穴的形成和扩展使得在管内部形成离子密度波,密度波的传播速度随时间增加。由于等离子体鞘层的不均匀重叠使得管内的初始鞘层厚度分布不均,其中位于拐角附近的鞘层较厚,从而又导致了方管内壁周向上的注入剂量和能量分布存在不均匀性,内壁平面附近位置的注入剂量和注入能量均相对较大,而拐角附近的离子注入剂量和能量最小。本文采用GPU加速PIC的算法取得了高达90的加速比,极大缩短了等离子体粒子模拟的计算时间。

镁合金表面耐蚀改性技术

镁及镁合金是一种极具发展潜力的轻质结构材料,但镁合金的耐蚀性较差,因此进行适当的表面处理以提高镁合金的耐蚀性能已成为目前研究的热点。微弧氧化、激光表面处理、离子注入、物理气相沉积(PVD)及等离子体注入沉积(IBAD)是近年来兴起的镁合金表面耐蚀强化新技术,这几种技术在处理镁合金耐蚀性方面已取得了一定的成果。综述了目前国内外应用这几种方法提高镁合金耐蚀性方面的研究现状,并展望了其应用前景。

电感耦合等离子体离子注入内表面的数值仿真研究

本文采用Particle-in-cell模型对采用电感等离子体离子注入处理管内表面的动力学过程进行数值仿真研究,考察了电感线宽对管内电势分布、鞘层重叠、离子平均注入能量、剂量和角度等的影响。计算结果表明随着电感线宽的增加,电感线圈对等离子体鞘层扩展的钳制作用增强,管内的鞘层重叠系数下降,电感内的离子消耗速度下降。在鞘层内电场力的作用下,离子会发生聚集,离子聚集点的位置随着电感线宽的增加向外移动。研究结果还表明通过增加电感线宽可以进一步提高管内表面的离子平均注入能量。离子注入以接近垂直的角度注入到管内表面,虽然电感线圈会产生阴影效应,但管内表面的阴影可以通过管与电感线圈的相对运动来消除。

一种新型复合加速离子注入动力学研究

提出了一种基于靶台(工件)二次加速的束线离子注入的新方法,基本原理是将传统束线离子注入和等离子体离子注入有效复合。采用二维Particle-in-cell(PIC)模型对这种注入方法进行了数值仿真研究。考察了靶台加负偏压情况下靶台表面空间电势、离子密度变化以及离子的运动状态的时空演化。统计分析了不同时刻离子注入剂量、注入能量和注入角度的分布规律。结果表明:靶台施加偏压对束流离子起到了很好的二次加速效果,束线离子复合加速离子注入这种新方法理论上是切实可行的。同时发现在靶台附近空间电场的作用下,离子束会发生小角度偏转,由柱状形逐渐变成"喇叭口"形,靶台表面有效注入范围扩大。靶台表面注入剂量分布呈中心区域高边缘区域低的趋势。这种新方法有助于减缓电源硬件加工的难度,增加了工艺的灵活性。

工件靶台复合加速离子注入系统中的靶台偏压效应

采用PIC/MCC模型,通过数值模拟的方法研究了束线离子和靶台复合加速离子注入过程中靶台偏压大小对注入过程离子动力学行为的影响,重点考察了不同偏压作用下离子的注入能量、注入剂量、注入角度以及注入范围的变化。结果表明,靶台上施加脉冲偏压后,在束流离子的作用下空间电荷分布发生变化,束流正下方的电势线会发生凹曲,凹曲的电场同时又作用于空间中的带电粒子,影响粒子的运动;靶台偏压越高,零电势线距离靶台越远,靶台电场对离子的作用范围越大。离子的注入剂量、注入能量随着靶台偏压的增大而增大,而偏压对离子注入角度的影响并不大,大部分离子都以垂直入射的方式注入到靶台表面。另外,离子注入到靶台上的面积会因束流离子在靶台电场中飞行偏转而增大,并且偏压越大注入面积增大越明显。