научная статья по теме КОАГУЛЯЦИЯ ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ В АРГОНОВОЙ ПЛАЗМЕ ВЧ-РАЗРЯДА Физика

Текст научной статьи на тему «КОАГУЛЯЦИЯ ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ В АРГОНОВОЙ ПЛАЗМЕ ВЧ-РАЗРЯДА»

ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2009, том 35, № 3, с. 219-228

ПЫЛЕВАЯ ПЛАЗМА

УДК 533.9.01, 533.9...15, 533.92

КОАГУЛЯЦИЯ ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ В АРГОНОВОЙ ПЛАЗМЕ ВЧ-РАЗРЯДА

© 2009 г. Ю. А. Манкелевич, М. А. Олеванов, А. Ф. Паль, Т. В. Рахимова, А. Н. Рябинкин, А. О. Серов, А. В. Филиппов*

НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия * Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований, Московская обл., Россия

Поступила в редакцию 22.05.2008 г.

Проведены эксперименты по исследованию коагуляции микрочастиц различных размеров, инжектированных в низкотемпературную аргоновую плазму высокочастотного разряда. Разработанная теоретическая модель образования пылевых кластеров в низкотемпературной плазме применяется в данной работе для объяснения результатов наших экспериментов по коагуляции микрочастиц с большими отрицательными зарядами. В рамках построенной теории получены оценки размеров частиц, для которых возможна коагуляция в рассматриваемых плазменных условиях. Приведено сравнение теоретических результатов с экспериментально наблюдаемыми процессами коагуляции.

РАСЯ: 52.65.-y, 52.27.Lw

1. ВВЕДЕНИЕ

Развитие микроэлектроники и использование в производстве нанотехнологий стимулировали исследования в области пылевой низкотемпературной плазмы. В плазмохимических реакторах, например, при травлении [1] и химическом осаждении из газовой фазы [2] в качестве побочного продукта возможно появление и рост частиц микронных и субмикронных размеров. Нано- и микрочастицы в плазме могут приобретать значительные отрицательные заряды, размеры частиц могут увеличиваться в течение продолжительного времени за счет осаждения из газовой фазы радикалов и/или ионов [3, 4] (медленный начальный рост) и коагуляции частиц (быстрый рост) [4, 5]. Разные по размерам (массам) частицы могут пространственно разделяться под действием собственной силы тяжести и электромагнитных полей в разрядном промежутке.

Последние экспериментальные и теоретические результаты по изучению коагуляции в низкотемпературной плазме были представлены в недавнем обзоре [4]. Экспериментально выявлены следующие закономерности и основные стадии процесса коагуляции [4]: стадия начального роста зародышевых частиц до некоторого критического размера d (например, в силан-гелиевой плазме высокочастотного (ВЧ) разряда й ~ 10 нм [5]); стадия быстрого роста, в которой наряду с исходными частицами появляются и быстро растут в результате коагуляции крупные частицы фрактальной или сферической формы, включающие в себя сотни и тысячи исходных частиц; и стадия насыщения (когда распределение частиц

по размерам почти не меняется). Следует также отметить, что на стадии быстрого роста частицы взаимодействуют (коагулируют) друг с другом со скоростями, в десятки и сотни раз превосходящими газокинетические скорости взаимодействия [4]. Для объяснения этих результатов была предложена модель малой электроотрицательности частиц (МЭЧ) [4]. В этой модели предполагается, что коагуляция происходит при взаимодействии частицы с малым отрицательным зарядом (один элементарный заряд) с нейтральными и/или положительно заряженными частицами, наличие которых возможно при высокой концентрации

пыли пй > п¡, щ — концентрация положительных ионов в плазме. Но как отмечалось в [6, 7], эта теория не способна объяснить некоторые закономерности процесса коагуляции, например, существование исходного критического размера макрочастиц, ниже которого коагуляция не идет. Кроме того, в рамках этой теории частота столкновений, соответствующая тепловому сечению взаимодействия между пылинками, не может обеспечить столь высокой скорости роста кластеров, которая наблюдается экспериментально [4]. Более того, теория МЭЧ совсем не способна объяснить наблюдаемую в наших экспериментах коагуляцию частиц с отрицательными зарядами, превышающими десятки и сотни элементарных зарядов. В [6—9] была предложена другая модель коагуляции на основе поляризационно-индуци-рованной асимметрии ионных потоков (ПАИП) на поверхность частицы, находящейся в электрическом поле соседней частицы. Модель ПАИП позволила качественно и количественно объяснить основные стадии и закономерности процес-

са коагуляции для фрактальных [6, 8] и сферических частиц [7] в условиях их малых отрицательных зарядов (эксперименты [10] и [5] соответственно). В рамках построенной теории впервые было дано объяснение наблюдаемого в экспериментах порогового характера процесса коагуляции, и получена оценка критического размера частиц, при достижении которого начинается их быстрая коагуляция, и произведен аналитический расчет константы скорости коагуляции пылевых частиц.

Проведенные исследования представляют большой интерес в связи с тем, что в последнее время активно развиваются технологии получения дисперсных композиционных материалов — порошков, содержащих частицы, покрытые оболочками других материалов толщиной порядка нанометров. При этом осаждение покрытия на индивидуальную частицу диаметром менее 5 мкм является в настоящее время нерешенной задачей [11]. С этой точки зрения свойство плазмы удерживать в левитирующем состоянии структуры, состоящие из заряженных пылевых частиц, представляет большой интерес. В этом случае покрытие на отдельные левитирующие частицы может наноситься с помощью потока атомов, созданного, например, магнетронной распылительной системой [12, 13]. Были получены, в частности, порошки, состоящие из частиц синтетического алмаза размером 3—5 мкм с однородным никелевым покрытием толщиной 5—10 нм в количествах, достаточных для исследований и технологических экспериментов [13]. Такие порошки представляют интерес для получения сверхтвердых композиционных материалов.

Обрабатываемые в плазме порошки являются в большинстве случаев полидисперсными. В [14] было показано, что узкое распределение по размерам находящихся в плазме пылевых частиц (т.е. распределение с полушириной много меньше среднего размера частиц) практически не изменяется со временем, если исключена седиментация. В то же время система с широким распределением ведет себя иначе. В течение короткого времени мелкая фракция интенсивно коагулирует. Это объясняется небольшими зарядами мелких частиц и большими значениями константы коагуляции. В [15] экспериментально наблюдался эффект селективной коагуляции, который состоял в резком ускорении процессов коагуляции при инжекции в плазменно-пылевую ловушку небольшого количества частиц с размером, значительно превышавшим дебаевский радиус и средний размер частиц, находящихся в ловушке. Наблюдаемый эффект объяснялся поляризационным взаимодействием частиц с сильно различающимися размерами.

В данной работе модель ПАИП коагуляции применяется для анализа результатов экспери-

ментального исследования пылевой плазмы, содержащей частицы микронных размеров с большими отрицательными зарядами (Z ~ 10—1000 элементарных зарядов). В разд. 2 дано описание экспериментальной установки, методов диагностики пылевой компоненты и результатов экспериментов с частицами разных размеров и концентраций. В разд. 3 кратко описана модель ПАИП и результаты ее применения к нашим экспериментальным условиям.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОАГУЛЯЦИИ ЧАСТИЦ В ПЛАЗМЕ ВЧ-РАЗРЯДА

2.1. Экспериментальная установка и методы исследования

В настоящей работе в качестве среды для исследования коагуляции частиц выбрана плазма магнетронного ВЧ-разряда. При постановке эксперимента учитывались следующие обстоятельства. Ранее было обнаружено, что в пылевом облаке, левитирующем в плазменно-пылевой ловушке вблизи приэлектродного слоя ВЧ-разряда, устанавливается стационарное состояние, в котором частицы внутри облака распределены так, что их размеры уменьшаются с увеличением высоты над электродом. Плазма магнетронного разряда отличается малыми размерами области энерговыделения, которая жестко определяется конфигурацией магнитной системы и вблизи которой удерживаются плазменно-пылевые облака [16]. Эти облака имеют сравнительно малую протяженность в вертикальном направлении, что должно увеличивать вероятность встреч частиц различного размера.

Определение размеров частиц in situ осуществлялось на основе анализа угловой зависимости интенсивности рассеянного ими лазерного излучения по теории Ми [17, 18]. Этот анализ требует знания априори особенностей формы измеряемых частиц. Визуальные наблюдения левитирующих частиц [15] показали, что в результате коагуляции частиц в плазме могут возникать нитеобразные агломераты. Правильное определение размеров таких частиц in situ по рассеянию ими лазерного излучения в имеющейся экспериментальной установке требует дополнительной информации или допущений об их ориентации в пространстве. Поэтому исследование in situ левитирующих частиц желательно дополнять исследованием частиц ex situ, например, при помощи микроскопа после их оседания на электрод по окончании опыта. На основании анализа микрофотографий можно делать выводы о возможности обработки данных оптических измерений по используемому алгоритму. Расположение ловушки в узкой области пространства над электродом

Рис. 1. Схема эксперимента: 1 — электрод ВЧ-разряда; 2 — область плазменно-пылевой ловушки; 3 — магнитная система (Ы и 8 — полюса магнитов); 4 — подложка для сбора частиц; 5 — детектор рассеянного частицами лазерного излучения; 6 — лазер; 7, 8 — инжекторы частиц.

локализует область оседания частиц на электроде после выключения разряда, что значительно увеличивает эффективность исследования при помощи микроскопа.

Внутри вакуумной камеры поддерживался ВЧ емкостный разряд в аргоне на частоте 5.3 МГц. Давление рабочего газа в экспериментах составляло 10 Па. Вложенная в разряд мощность не превышала 30 Вт. Использовались электродные системы, локализующие энерговклад в кольцевой области плазмы (рис. 1) с диаметром 120 мм.

Диспергирование порошков и заполнение ловушки частицами субмикронного и микронного размера осуществлялось отдельно с помощью двух инжекторов. Во время инжекции частицам придается значительный импульс (направленные скорости могут достигать в начальный момент нескольких десятк

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком