Пылевая плазма

Размещено на http://allbest.ru/

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРНОЙ ФИЗИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра «Приборостроение и наноэлектроника»

РЕФЕРАТ

Пылевая плазма

Руководитель Томилин В.И

Красноярск 2011

Содержание

Введение

1. Плазменный кристалл

2. Свойства пылевой плазмы

3. Зарядка в газоразрядной плазме

4. Другие механизмы зарядки

5. Зарядовый состав пылевой плазмы

6. Взаимодействие между пылевыми частиц

7. Образование и рост пылевых частиц

8. Пылевые кластеры в плазме

Заключение

Список используемой литературу

Введение

Пылевая плазма представляет собой ионизированный газ, содержащий частицы конденсированного вещества. Другими терминами, употребляемыми для обозначения таких систем являются «комплексная плазма», «коллоидальная плазма», а также «плазма с конденсированной дисперсной фазой». Пыль и пылевая плазма широко распространены в космосе. Они присутствуют в планетных кольцах, хвостах комет, в межпланетных и межзвездных облаках. Пылевая плазма обнаружена вблизи искусственных спутниках земли и космических аппаратов, в термоядерных установках с магнитным удержанием. Наконец очень активно исследуется пылевая плазма в лабораторных условиях. Пылевые частицы могут не только преднамеренно вводиться в плазму, но и образовываться самопроизвольно в результате различных процессов. Широкая распространенность плазменно-пылевых систем, а также целый ряд уникальных свойств, делают пылевую плазму чрезвычайно привлекательным и интересным объектом исследования.

Пылевые частицы, находящиеся в плазме, приобретают электрический заряд и представляют собой дополнительный заряженный компонент плазмы. Однако свойства пылевой плазмы значительно богаче свойств многокомпонентной плазмы электронов и ионов различного сорта. Пылевые частицы являются центрами рекомбинации плазменных электронов и ионов и, иногда, источником электронов. Тем самым пылевой компонент может существенно влиять на ионизационное равновесие. Заряд пылевых частиц не является фиксированной величиной, а определяется параметрами окружающей плазмы и может изменяться как во времени, так и в пространстве. Кроме того, заряд флуктуирует даже при постоянных параметрах окружающей плазмы, поскольку зарядка является стохастическим процессом.[1]

1. Плазменный кристалл

Частицы пылевой плазмы могут выстраиваться в пространстве определённым образом и образовывать так называемый плазменный кристалл. Плазменный кристалл может плавиться и испаряться. Если частицы пылевой плазмы достаточно велики то кристалл можно будет увидеть невооружённым глазом.

Строительным материалом для пылевых кристаллов служат макрочастицы, размер которых может варьироваться вплоть до десятков микрон в зависимости от условий конкретного эксперимента. Величина постоянной решетки в таких кристаллах обычно значительно превосходит дебаевский радиус экранирования и может достигать сотен микрон. Помимо образования в плазме кристаллических пылевых структур во многих случаях, были обнаружены плазменно-пылевые капли, и наблюдались фазовые переходы газ-жидкость в таких системах [3] .

Заряд пылевых частиц может иметь чрезвычайно большую величину и превышать заряд электрона в сотни и даже в сотни тысяч раз. В результате средняя кулоновская энергия взаимодействия частиц, пропорциональная квадрату заряда, может намного превосходить их среднюю тепловую энергию. Получается плазма, которую называют сильно неидеальной, поскольку её поведение не подчиняется законам идеального газа. (Напомним, что плазму можно рассматривать как идеальный газ, если энергия взаимодействия частиц много меньше их тепловой энергии).

Плазменные кристаллы подобны пространственным структурам в жидкости или твёрдом теле. Здесь могут происходить фазовые переходы типа плавления и испарения.

Если частицы пылевой плазмы достаточно велики, плазменный кристалл можно наблюдать невооружённым глазом. Образование кристаллических структур регистрировали в системе заряженных частиц железа и алюминия микронных размеров, удерживаемых переменным и статическим электрическими полями. Кулоновской кристаллизации макрочастиц в слабоионизованной плазме высокочастотного разряда при низком давлении. Энергия электронов в такой плазме составляет несколько электронвольт (эВ), а энергия ионов близка к тепловой энергии атомов, которые имеют комнатную температуру (~ 0,03 эВ). Это связано с тем, что электроны более подвижны и их поток, направленный на нейтральную пылевую частицу, значительно превышает поток ионов. Частица „ловит“ электроны и начинает заряжаться отрицательно. Этот накапливающийся отрицательный заряд в свою очередь вызывает отталкивание электронов и притяжение ионов. Заряд частицы меняется до тех пор, пока потоки электронов и ионов на её поверхности не сравняются. С высокочастотным разрядом заряд пылевых частиц увеличится и будет отрицательным. Облако заряженных пылевых частиц зависало вблизи поверхности нижнего электрода, поскольку там устанавливалось равновесие между гравитационными и электростатическими силами. При диаметре облака в несколько сантиметров в вертикальном направлении число слоёв частиц составляло несколько десятков микрометров. [4]

2. Свойства пылевой плазмы

Отрицательные свойства пылевой плазмы

В последние годы в связи с бурным развитием микроэлектроники и переходом производства на нанотехнологию исследования в области пылевой низкотемпературной плазмы вызывают широкий интерес и имеют большое практическое значение. Уже давно известно, что в большинстве промышленных установок, используемых в полупроводниковом производстве, в качестве побочного продукта происходит рождение и рост частиц микронных и субмикронных размеров. Пылевые образования были найдены в установках по плазменному травлению, химическому осаждению из газовой фазы, а также в установках по осаждению методом распыления. Поскольку обычно макрочастицы в плазме приобретают значительные отрицательные заряды, то они оказываются запертыми электростатическим полем, и могут расти в течение продолжительного времени, пока разряд не будет выключен, или они не будут выведены из области горения разряда под действием собственной силы тяжести. Уже сейчас современный уровень развития полупроводниковой технологии позволяет оперировать с объектами, имеющими размеры 0.1 мкм, однако, дальнейшее усложнение и миниатюризация электронных устройств требует размещения все большего числа логических элементов на кристалле, что невозможно осуществить без освоения области размеров в десятки нанометров. Появление пыли во время технологического цикла в этой связи представляет собой серьезную проблему, так как макрочастицы, попадая на подложку, могут привести к появлению фатального дефекта, резко снижая.

Положительные свойства пылевой плазмы.

Однако, наряду с процессами, в которых наличие наночастиц приводит к нежелательным эффектам, существует широкая область задач, связанная с созданием материалов, обладающих специальными свойствами. Исследование и использование процессов рождения и роста частиц в плазме в этой связи имеет важное значение, так как их свойства такие, как монодисперсность размеров, заданный химический состав, оказываются востребованными в технологии, и получение контроля над этими свойствами представляет собой самостоятельную и перспективную задачу. Уже сейчас наночастицы, синтезированные в плазме, применяются в производстве керамик , а в установках с магнетронным распылением получают порошки чистых металлов, сплавов и композитных материалов. Поскольку использование пылевой плазмы рассматривается, как один из эффективных способов синтеза наночастиц с уникальными физическими свойствами, то понимание механизмов взаимодействия макрочастиц оказывается определяющим условием для создания необходимой технической базы.[5]

3. Зарядка в газоразрядной плазме

пылевой плазма кристалл газоразрядный

В неравновесной плазме газовых разрядов низкого давления ионы, атомы и макроскопические частицы несмотря на высокую энергию электронов, как правило, остаются "холодными". В отсутствие эмиссионных процессов заряд пылевой частицы отрицателен, что объясняется следующим. На незаряженную пылевую частицу направлены потоки электронов и ионов из плазмы. Принято считать, что попавшие на поверхность частицы электроны и ионы поглощаются и рекомбинируют, а нейтральные частицы, образующиеся в процессе рекомбинации, либо остаются на поверхности, либо возвращаются в плазму. Вследствие более высокой подвижности электронов их поток значительно превышает поток ионов, и нейтральная частица начинает заряжаться отрицательно. Появляющийся у частицы отрицательный заряд вызывает отталкивание электронов и притяжение ионов. Заряд частицы растет по абсолютной величине до тех пор, пока не сравняются потоки электронов и ионов на ее поверхность. Затем он становится практически постоянным во времени и испытывает лишь малые флуктуации около равновесного значения.

Связанный с зарядом стационарный потенциал поверхности пылевой частицы определяется с точностью до коэффициента порядка единицы как

,

где - температура электронов в энергетических единицах. Физически это объясняется тем, что в стационарном состоянии большая часть электронов не обладает достаточной кинетической энергией для преодоления разности потенциалов между поверхностью пылевой частицы и окружающей плазмой.

4. Другие механизмы зарядки

Поглощение электронов и ионов плазмы не является единственным механизмом зарядки пылевых частиц. В частности, электроны могут покидать поверхность пылевой частицы вследствие процессов термоэлектронной, фотоэлектронной и вторичной электронной эмиссий. Особенно важны эти процессы для зарядки частиц конденсированной дисперсной фазы в рабочих средах МГД-генераторов и ракетных двигателей , в верхних слоях атмосферы , в космосе и в некоторых лабораторных экспериментах, например, в термической плазме , в плазме, индуцированной ультрафиолетовым (УФ) излучением, или с фотоэлектронной зарядкой пылевых частиц, в плазме с наличием электронных пучков и т.д. Эмиссия электронов увеличивает заряд частицы, и при определенных условиях он может оказаться положительным. Более того, благодаря эмиссионным процессам оказывается принципиально возможным существование двухкомпонентной системы пылевых частиц и эмитированных ими электронов. В данном случае равновесный потенциал (заряд) пылевой частицы определяется балансом поглощения электронов на ее поверхности и термоэмиссионного тока с поверхности частицы, а условие квазинейтральности имеет вид

(24)

Такая система служит простейшей моделью для исследования различных процессов, связанных с эмиссионной зарядкой пылевых частиц.

5. Зарядовый состав пылевой плазмы

Появление пылевых частиц в плазме зачастую приводит к значительному изменению ее зарядового состава. Дело в том, что пылевые частицы являются центрами ионизации (рекомбинации) для электронов и ионов плазмы. Частицы, эмитируя электроны и заряжаясь положительно, могут повысить концентрацию электронов в плазме и, наоборот, если пылевые частицы поглощают электроны из плазмы, то они заряжаются отрицательно и уменьшают число свободных электронов. В отсутствие эмиссионных процессов, электроны и ионы рекомбинируют на частицах.

При значительных концентрациях пылевых частиц частота гибели электронов и ионов на частицах может оказаться больше частоты рекомбинации в отсутствие пылевых частиц (объемной рекомбинации либо гибели на стенках разрядной камеры). Тем самым изменятся условия существования плазмы, поскольку увеличение частоты рекомбинации должно быть компенсировано увеличением частоты ионизации. Частицы являются также центрами ионизации при наличии эмиссии электронов с их поверхности.

6. Взаимодействие между пылевыми частицами

Основным фактором, приводящим к возникновению сильного межчастичного взаимодействия в плазме, является накопление макрочастицами значительных электрических зарядов, которые в зависимости от условий могут достигать величины до 10⁴ единиц заряда электрона. Обычно благодаря большей по сравнению с ионами подвижности электронов этот заряд отрицателен, однако ряд эффектов, таких как вторичная электронная эмиссия и фотоэмиссия, может приводить к накоплению частицами положительного заряда. Тем не менее, несмотря на то, что макрочастицы аккумулируют большие одноименные статические заряды, наличие плазмы приводит к появлению дополнительных сил притяжения, которые и создают возможность для процессов самоорганизации и роста пылевых образований.

В связи с тем, что газовые разряды находят широкое применение в технологии осаждения тонких пленок с заданными свойствами, наряду с процессами межпылевого взаимодействия особый интерес представляет влияние макрочастиц на микро-и макроскопические характеристики плазмы. Наличие частиц в плазме может существенно изменить ее свойства за счет появления дополнительного источника гибели, а иногда и рождения электронов и ионов. Наряду с этим пыль может оказывать заметное влияние на химический и зарядовый состав плазмы, а также на скорости протекающих там реакций.[9]

7. Образование и рост пылевых частиц

В лабораторных условиях пылевые частицы обычно вводятся в плазму преднамеренно. Однако, в принципе, они могут также образовываться в ней самопроизвольно. Имеется несколько возможных источников зарождения пылевых частиц. Один из них - это конденсация, приводящая к появлению твердых частиц или капель. Этот процесс типичен для расширяющейся плазмы, например, для плазмы, адиабатически расширяющейся в вакуум, или плазмы, расширяющейся в канале МГД-генератора. В химически реагирующих смесях пылевые частицы могут зарождаться в результате химических реакций . Наконец, эрозия электродов и стенок разрядных камер также приводит к появлению макрочастиц в плазме разряде, частицы могут расти. Один из возможных механизмов такого роста --это поверхностная рекомбинация ионов, приводящая к постоянному осаждению материала на поверхности пылевой частицы. Возможно также, что происходит агломерация (слипание) пылевых частиц.

В целом, механизмы образования и роста пылевых частиц в плазме поняты не до конца и нуждаются в дальнейшем изучении. Актуальность этого вопроса во многом связана с нуждами плазменных технологий производства наночастиц, тонких пленок и обработки материалов.

8. Пылевые кластеры в плазме

Пылевым кластером в плазме принято называть упорядоченную систему из конечного числа пылевых частиц, взаимодействующих посредством парного отталкивающего дебаевского потенциала и удерживаемых внешними силами, например, электростатической природы. Такие системы иногда также называют кулоновскими кластерами или кластерами Юкавы. Отличие пылевых кластеров от пылевых кристаллов носит условный характер: обе системы состоят из конечного числа частиц. Пылевыми кластерами принято называть системы с числом частиц , а для больших образований использовать термин "кристалл". Более точным определением кластера может служить оценка отношения числа частиц, находящихся в приграничной области, к общему числу частиц в системе. Для кристаллов это отношение должно быть мало. Похожие системы возникают, например, в однозарядной плазме в ловушках Пеннинга или Пауля , в которых вакуумная камера заполняется ионами, а также в коллоидных растворах. Различие систем связано как с разным видом межчастичного взаимодействия, так и с разной формой удерживающего потенциала.

Исторически кластеры, состоящие из расталкивающихся частиц во внешнем удерживающем потенциале, исследовались сначала с помощью численного моделирования (в основном методами Монте-Карло и молекулярной динамики).

Заключение

Пылевая плазма стала одной из наиболее развивающихся областей исследований, инициированных тремя крупными проблемами, возникшими в начале 1990-х годов: промышленным СВЧ травлением, термоядерными исследованиями, открытиями возможности фазовых переходов.

Несмотря на то, что исследования такой плазмы имеют давнюю историю, в последние годы сформировалась новая область физики - физика пылевой плазмы. Сегодняшний интерес к пылевой плазме связан, прежде всего, с процессами самоорганизации и образования упорядоченных структур, так называемых плазменно-пылевых кристаллов. [5]

Список литературы

1. Фортов В.Е. «Физика неидеальной плазмы».

2. Цытович В.Н, Винтер Г.Е, Томас Х Физ.плазмы.

3. Журнал наука и жизнь.

4. Ваулина О.С и др. Физ. Плазмы.

5. А.Ф. Паль, А.Н. Старостин, А.В. Филиппов «Исследование процессов в пылевой плазме при повышенных давлениях».

6. В.Ю. Карасев, Е.С. Дзлиева, И.Ч. Машек, А.И. Эйхвальд «Общие сведения о комплексной плазме».

7. С.И. Копнин, А.А. Моржакова, С.И. Попель «К вопросу о зарядке пылевых частиц в комплексной плазме».

8. Ходатаев Я.К и др. Физ. Плазмы.

9. Акопян А.В, Цытович В.Н ЖЭТФ

10. Игнатов А.И. Крат. Сообщ. По физ. ФИАН.

11. http://www.ihed.ras.ru/council/booklets/2006-7/ITES_1A_Petrov.htm

12. «Объединенный институт высоких температур РАН, Москва, РФ» Василяк Л.М., Ветчинин С.П

Размещено на Allbest.ru