【摘要】：近年來(lái)雙頻等離子體能夠在大氣壓中較為簡(jiǎn)單小型的產(chǎn)生設(shè)備中,獲得相對(duì)較高的能量和密度,從而提高等離子體中的原料氣體的反應(yīng)速率和利用率。本文中的電極結(jié)構(gòu)采用的針-環(huán)電極,這種結(jié)構(gòu)方便小型,產(chǎn)生的等離子羽長(zhǎng)度相對(duì)較長(zhǎng)且密度為1011-1012cm-3,并且雙頻等離子體空間范圍較大活性較強(qiáng),可以處理更復(fù)雜更大的材料,尤其是在沉積薄膜中,可以有效的促進(jìn)薄膜成分和對(duì)應(yīng)形貌的形成。可以說(shuō)雙頻等離子體在具有單低頻的較高反應(yīng)能量的同時(shí)兼具了射頻等離子體等離子體空間上的的優(yōu)勢(shì)�；谶@樣的優(yōu)勢(shì),本文利用在100 k Hz/100MHz組合的雙頻等離子在0,100,120,140 W的不同功率下分別以四氯化碳(CCl4)和甲烷(CH4)為碳源,制備碳納米薄膜。雖然雙頻大氣壓等離子體有這樣的優(yōu)勢(shì),但是其沉積機(jī)理還并不明確,所以本文加入了數(shù)值模擬。在氣體放電和大氣壓等離子體研究中,數(shù)值模擬起著重要的作用,人們使用不同的模型模擬氣體放電,其中常用的模擬方法為流體模型、MC/PIC模型及混合模型,利用這些模型和它們的混合模型對(duì)等離子體內(nèi)部的物理參量(如電場(chǎng)分布、電子密度、離子密度等)的時(shí)空分布模擬計(jì)算。故本文的主要工作有以下兩部分,分別如下:(1)在大氣壓下以四氯化碳(CCl4)為碳源,在雙頻(100 k Hz/100 MHz)驅(qū)動(dòng)下CCl4/Ar等離子體中合成無(wú)定形碳薄膜,通過(guò)射頻功率改變,結(jié)果表明隨著射頻功率的增加,檢測(cè)得到的光譜中等離子中含碳物質(zhì)種類相應(yīng)的增加,薄膜的中心區(qū)域面積隨之增大,厚度變薄且光滑,結(jié)構(gòu)由點(diǎn)狀逐步轉(zhuǎn)化為層狀。在整個(gè)放電區(qū)域采用流體力學(xué)模型和在鞘中利用蒙特卡羅法模擬中性粒子能量和角度分布,隨著射頻功率的增加,電子密度和離子密度相應(yīng)增大,鞘層變薄但對(duì)帶電粒子的加速效果更強(qiáng),中性粒子角分布(NAD)主要集中在0到40,而且隨著射頻功率的變化,中性粒子角分布會(huì)有少許的擴(kuò)大和偏移。離子能量和溫度在等離子區(qū)域受到射頻功率的影響不大,而電子密度和高能中性原子(ENA)的能量則隨著射頻功率的增加而增加,故高能中性原子散射的角度也發(fā)生了變化,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。(2)在大氣壓下以甲烷(CH4)為碳源,在雙頻(100 k Hz/100 MHz)驅(qū)動(dòng)下CH4/Ar等離子體中成功合成炭黑,通過(guò)改變射頻功率,結(jié)果表明炭黑的形貌和質(zhì)量與射頻功率的大小和電場(chǎng)的改變有關(guān),粒徑減小,發(fā)現(xiàn)在射頻放電功率為120 W時(shí)炭黑中含碳物種種類及含量都最好,且形貌也較好。增加了銅片改變電場(chǎng)后,炭黑形貌由葡萄狀向片層狀轉(zhuǎn)化,且致密性和均勻性都有了改善。用PIC模型模擬整個(gè)等離子體中的粒子行為,發(fā)現(xiàn)在射頻功率的影響下溫度和離子能量變化不大,而密度等隨著功率的增加而增大,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比后發(fā)現(xiàn)射頻功率影響了等離子體的密度的反應(yīng)強(qiáng)度和離子轟擊能量。
【學(xué)位授予單位】：西北師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O53
【圖文】：

展到整個(gè)放電空間且愈發(fā)明亮，這樣的情況被稱為輝光放電[5]發(fā)射的電子在放電空間引起電子雪崩最終不斷發(fā)展擴(kuò)大而引起態(tài)可分為三個(gè)狀態(tài)，前期輝光對(duì)應(yīng)伏安特性曲線 EF 段，正常輝間電壓明顯低于擊穿電壓，電壓和電流急劇上升，為異常輝光，放電均勻度高、密度適中且溫度低，在薄膜制備和材料表面處的工業(yè)化前景。質(zhì)阻擋放電阻擋放電 DBD（dielectric barrier discharge）的工作氣壓和頻率現(xiàn)有的文獻(xiàn)可知，DBD 可在 104-106Pa 和 50 Hz 至 MHz 數(shù)量運(yùn)作，氣體放電時(shí)由外電場(chǎng)作用下?lián)舸怏w產(chǎn)生電子雪崩，但圖 1.1 氣體放電伏安特性曲線圖[4]AB 段為非自持放電本底電離區(qū)；BC 段為非自持放電飽和區(qū)；CE 段為湯森放電區(qū)；DE 段為電暈放電區(qū)；EF 段為前期輝光放電區(qū)；FG 段為正常輝光放電區(qū)；GH 段為異常輝光放電區(qū)；HK 為弧光放電區(qū)

展到整個(gè)放電空間且愈發(fā)明亮，這樣的情況被稱為輝光放電[5]。輝發(fā)射的電子在放電空間引起電子雪崩最終不斷發(fā)展擴(kuò)大而引起的態(tài)可分為三個(gè)狀態(tài)，前期輝光對(duì)應(yīng)伏安特性曲線 EF 段，正常輝光間電壓明顯低于擊穿電壓，電壓和電流急劇上升，為異常輝光，對(duì)放電均勻度高、密度適中且溫度低，在薄膜制備和材料表面處理等的工業(yè)化前景。質(zhì)阻擋放電阻擋放電 DBD（dielectric barrier discharge）的工作氣壓和頻率范現(xiàn)有的文獻(xiàn)可知，DBD 可在 104-106Pa 和 50 Hz 至 MHz 數(shù)量級(jí)的運(yùn)作，氣體放電時(shí)由外電場(chǎng)作用下?lián)舸怏w產(chǎn)生電子雪崩，但介質(zhì)BC 段為非自持放電飽和區(qū)；CE 段為湯森放電區(qū)；DE 段為電暈放電區(qū)；EF 段為前期輝光放電區(qū)；FG 段為正常輝光放電區(qū)；GH 段為異常輝光放電區(qū)；HK 為弧光放電區(qū)

mm 的銅針電極，其使用低頻功率源驅(qū)動(dòng)。低頻電源所輸出的電壓峰值可以使用高壓探頭（Tektronix P6015）測(cè)量，數(shù)字示波器（Tektronix TDS 3052C）可以被用來(lái)記錄所通過(guò)的電流、電壓信號(hào)。另一個(gè)銅環(huán)電極與石英注射器較細(xì)的一端所連接，銅環(huán)的寬度可以根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行調(diào)整，其使用一個(gè)射頻功率源驅(qū)動(dòng)。射頻電源所輸出的電壓、電流、輸入功率等信號(hào)可以使用 Octiv Suite 傳感器測(cè)量， 其安裝在射頻電源和射頻匹配單元之間。實(shí)驗(yàn)中采用的低頻功率源為為 100 kHz（CORONA Lab CTP-2000 K），射頻功率源為 100 MHz (rishigeRSGK100)[8]。為了產(chǎn)生放電等離子體射流，向同軸石英管口較粗端的側(cè)端通入一定流量的氣體氬（99.999％，slm)，為了使先驅(qū)體進(jìn)入到等離子體射流放電區(qū)域，在此實(shí)驗(yàn)中添加一個(gè)鼓泡器，少量 Ar（99.999％，sccm）將攜帶先驅(qū)體進(jìn)入等離子體放電區(qū)域。實(shí)驗(yàn)中以四氯化碳（CCl4），以此來(lái)制備納米粉體或者薄膜。在光學(xué)診斷方面，本文使用的是光譜儀（Avaspec-2048-8）由荷蘭 Avante 公司生產(chǎn)的八通道光纖光譜儀來(lái)觀察等離子體發(fā)射光譜。

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本文編號(hào)：2801491