Кристаллические структуры и кластеры в плазме высокочастотного газового разряда тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, доктор физико-математических наук Швейгерт, Ирина Вячеславовна

• Швейгерт, Ирина Вячеславовна
• доктор физико-математических наук
• 2008

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Кристаллические структуры и кластеры в плазме высокочастотного газового разряда»

Пылевая плазмы - это плазма с твердыми частицами, которые приобретают отрицательный либо положительный заряд в зависимости от экспериментальных условий. Например, в газоразрядной низкотемпературной плазме твердые частицы заряжаются отрицательно, как любая твердая стенка. Пылевая плазма газового разряда включает в себя два больших раздела, таких так плазменные кристаллы и технологическая плазма с наночастицами. Возможность образования кристаллов микрочастиц в плазме была предсказана Икези [1] еще в 1986 г. Экспериментально кристаллы были обнаружены в магнетронном разряде [2-4], в высокочастотном разряде между плоскопараллельными электродами [5-8] и втах стационарного тлеющего разряда [9]. Упорядоченныектуры микрочастиц также наблюдались в потоках термической плазмы [10]. Плазменные кристаллы формируются из частиц микронного размера, и, как правило, концентрации их невелика (103 - 105 см"3). Поэтому присутствие микрочастиц не влияет на параметры газоразрядной плазмы. Однако заряд частиц достаточно большой, Ъ = 103- 104е, и параметр неидеальности пылевой плазмы Г = (е222/а)/кТ, где а - расстояние между частицами, меняется в широком диапазоне: Г<1 - газ, 1 < Г < Г* - жидкость, Г > Г* -кристалл. В технологической плазме, концентрация наночастиц 106-108 см"3, и их присутствие меняет характеристики газоразрядной плазмы и 1 <Г <Г*.

Плазменные кристаллы представляют собой упорядоченные системы заряженных частиц микронного размера в газовом разряде, удерживаемые внешним электростатическим потенциалом. В зависимости от числа частиц помещенных в плазму и конфигурации электродов, частицы могут образовать маленькие двухмерные кластеры, двухмерные однослойные, двухмерные и трехмерные кристаллы. Такие кристаллические структуры являются идеальными модельными объектами для изучения фазовых переходов, различных типов неустойчивостей, распространения волн и многих других вопросов физики твердого тела. В настоящее время явления в запыленной низкотемпературной плазме широко исследуются в лабораторных и космических экспериментах. В условиях гравитации плазменные кристаллы располагаются в приэлектродных слоях, где большое электрическое поле уравновешивает действие силы тяжести. В условиях микрогравитации заряженные частицы удерживаются электрическим потенциалом в квазинейтральной части разряда, где напряженность электрического поля мала. Наноразмерные пылевые частицы присутствующие в объеме газового разряда в большой концентрации способны изменить режим горения разряда и, таким образом, полностью поменять условия технологичекого процесса осаждения пленок, либо травления. Для изучения динамики заряженных пылевых частиц и их влияния на свойства газоразрядной плазмы, необходимо исследовать на кинетическом уровне как пространственно - временные характеристики емкостного высокочастотного разряда, так и динамику низкоразмерных кристаллических структур. Например, для описания силы ионной тяги, действующей на заряженные твердые частицы в плазменном потоке необходимо рассматривать столкновительное движение ионов на кинетическом уровне, так как известно из экспериментов, что данные силы играют определяющую роль в формировании областей свободных от частиц (voids) в центре газоразрядной камеры.

Актуальность проблемы. Физика пылевой плазмы является в настоящее время активно развивающейся областью фундаментальной науки. Исследование поведения макрочастиц в плазме необходимо для ряда прикладных задач, связанных с микроэлектроникой, в частности с удалением нежелательных частиц пыли при производстве микросхем, при плазменном напылении, с сепарацией частиц по размерам, разработкой новых высокоэффективных источников света, рабочим телом в которых являются твердые частицы. Наконец, вполне реально создание технологий, которые позволят осуществлять контролируемое осаждение взвешенных в плазме частиц на подложку и тем самым создавать покрытия с особыми свойствами, в том числе пористые и композитные, а также формировать частицы с многослойным покрытием из материалов с различными свойствами. Поэтому исследование свойств пылевой плазмы, а именно газоразрядной высокочастотной плазмы с микрочастицами представляется весьма актуальной задачей. Значительный интерес представляет также исследование кристаллических структур в газовом разряде, которые являются уникальным макроскопический объектом, позволяющим экспериментально наблюдать переход кристалл - жидкость - газ в куло-новских системах.

Целью работы является исследование переходных процессов в сильноскорелированной пылевой плазме в высокочастотном газовом разряде. Для описания явления плавления плазменного кристалла в приэлек-тродном слое емкостного ВЧ разряда связанного с направленным потоком ионов и несимметричным экранированием заряженных частиц, были предложены физические модели взаимодействия частиц с окружающей плазмой. С использованием данных моделей проведен анализ развития неустойчивости и плавления кристалла. Пылевые частицы размером от нескольких нанометров до нескольких микрон присутствуют в газоразрядной плазме в различных концентрациях и по разному влияют на характеристики разряда. Данная проблема является междисциплинарной и требует кинетического описания, как физики газового разряда, так и понимания законов поведения классических кулоновских систем. Поэтому для адекватного описания физики газового разряда разработан новый комбинированный алгоритм для кинетического моделирования высокочастотного газового разряда без частиц и с наночастицами. Отдельно проведены исследования структуры и плавления низкоразмерных кулоновских кластеров и кристаллов с различными парными потенциалами взаимодействия.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- Исследовано развитие неустойчивости в кристалле заряженных микрочастиц в приэлектродном слое высокочастотного газового разряда. Показано, что неустойчивость кристалла является следствием несимметричного экранирования микрочастиц в потоке ионов. Предложена модель несимметричного потенциала взаимодействия между микрочастицами с использованием которой найдены критические параметры развития неустойчивости, а также описан сценарий плавления кристалла с переходом через "горячее" кристаллическое состояние.

- Найдены геометрические размеры, положение кристалла и заряд микрочастиц, а также исследовано влияние присутствия кристалла на разряд с использованием самосогласованных расчетов газового разряда с кристаллом микрочастиц в приэлектродном слое.

- На основе линейного анализа кинетического уравнения для столу-новительного движения ионов предложены параметры подобия для описания экранирования заряженных частиц в потоке ионов. На основе кинетических расчетов обнаружено, что сила действующая на заряженные частицы со стороны ионного потока (ионная тяга) может иметь отрицательное значение, т.е. может действовать как вдоль, так и против направления потока ионов в зависимости от параметров системы.

- Для моделирования ВЧ разряда разработан новый комбинированный Р1С-МСС алгоритм, в котором, кроме кинетических уравнений для движения электронов и ионов, решаются уравнения неразрывности для плотностей и потоков электронов и ионов, основанные на моментах кинетических уравнений. Метод особенно эффективен при низком давлении газа и высокой мощности разряда и позволяет значительно ускорить расчеты.

- С использование нового комбинированного Р1С-МСС метода исследован переход между различными режимами горения ВЧ разряда в метане. Построена диаграмма областей существования объемной и емкостной мод горения разряда в зависимости от давления газа и тока разряда. Обнаружен гистерезис в поведении разряда при переходе между двумя модами горения разряда. Рассмотрен также ВЧ разряд с наночастицами различного радиуса. Показано, что присутствие частиц с увеличением их радиуса приводит к изменению моды горения разряда.

- При анализе плавления двухслойных классических кристаллов с решетками прямоугольного, квадратного, ромбического и гексагонального типа обнаружена повышенная устойчивость кристалла с квадратным типом решетки, которая объясняется большой энергией образования дефектов, генерируемых при плавлении. Исследована корреляция спектра основного состояния низкоразмерных структур (на примере кольцевого кластера) с температурой плавления и структурой кластера. Показано, что большие минимальные собственные частоты (от1п соответствуют структурам с плотной упаковкой и высокой температурой плавления, тогда как слоистые кластеры имеют наименьшие comin и очень низкую температуру плавления.

- Исследованы свойства нанокластеров на примере окиси кремния в зависимости от числа атомов. Показано, что меньшие по размеру кластеры имеют большую плотность, более высокое внутреннее давление, и меньшую температуру плавления.

Практическая значимость. Разработанные модели физических процессов и реализованные в виде программ алгоритмы расчетов позволяют исследовать достаточно широкий круг проблем высокочастотной газоразрядной плазмы с заряженными частицами. Результаты расчетов могут быть использованы при анализе данных экспериментов в лабораторной газоразрядной плазме и в условиях микрогравитации. Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением с данными лабораторных экспериментов, сопоставлением с результатами других авторов, тщательным тестированием программ и контролем точности полученных результатов.

Апробация работы. Диссертация выполнена в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича. Основные результаты работы докладывались на семинарах ИТПМ СО РАН (Новосибирск), на семинаре кафедры физики плазмы в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете (Санкт-Петербург), на семинаре теоретического отдела Института общей физики им. A.M. Прохорова РАН (Москва), на заседании отдела N3 (пылевой плазмы) Объединенного института высоких температур (Москва), на заседании Совета ОМЭ Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, на семинарах отдела физики твердого тела университета г. Антверпена (Бельгия). Основные результаты диссертации докладывались более чем на 30 международных и российских конференциях. Результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 42 статьях [1-42] в реферируемых журналах.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 41 печатная статья в реферируемых журналах. Структура и объем диссертации.

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения. Объем диссертации составляет 321 страниц, включая 131 рисунок в тексте.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Швейгерт, Ирина Вячеславовна, 2008 год

1. Н. 1.ezi, Coulomb solid of small particles in plasmas. Phys. Fluids. 29, 1764(1986).

2. J.H. Chu, J.B. Du and Lin I, Direct observation of Coulomb crystals and liquids in strongly coupled rf dusty plasmas. J. Phys. D 27, 296 (1994).

3. J. H. Chu and Lin I, Coulomb lattice in a weakly ionized colloidal plasma. Physica A 205, 183 (1994).

4. J. H. Chu and Lin I, Direct observation of Coulomb crystals and liquids in strongly coupled rf dusty plasmas. Phys. Rev. Lett. 72 , 4009 (1994).

5. H. Thomas, G. E. Morfill, V. Demmel, J. Goree, B. Feuerbacher, and D. Mohlmann, Plasma Crystal: Coulomb Crystallization in a Dusty Plasma. Phys. Rev. Lett. 73 , 652 (1994).

6. Y. Hayashi and K. Tachibana, Observation of Coulomb-Crystal Formation from Carbon Particles Grown in a Methane Plasma. Jpn. J. Appl. Phys. 33, L804 (1994).

7. A. Melzer, T. Trottenberg, and A. Piel, Experimental determination of the charge on dust particles forming Coulomb lattices. Phys. Lett. A 191, 301 (1994).

8. T. Trottenberg, A. Melzer, and A. Piel, Measurement of the electric charge on particulates forming Coulomb crystals in the sheath of a radiofrequency plasma. Plasma Sources Sci. Technol. 4, 450 (1995).

9. B.E. Фортов, А.П. Нефедов, B.M. Торчинский и др., Кристаллизация пылевой плазмы в положительном столбе тлеющего разряда. Письма в ЖЭТФ 64, 86 (1996).

10. V.E. Fortov, А.Р. Nefedov, O.F. Petrov, A.A. Samarian, and A.V. Chernycshev, Particle ordered structures in a strongly coupled classical thermal plasma. Phys. Rev. E. 54, R2236 (1996).

11. Melzer A., Schweigert V. A., Schweigert I. V., Homann A., Peters S., Piel A. Structure and stability of the plasma crystal // Phys. Rev. E. 1996. Vol. 54.R46.

12. Samsonov D., Goree J., Ma Z.W., Bhattacharjee A., Thomas H.M., Morfill G.E., Mach Cones in a Coulomb Lattice and a Dusty Plasma // Phys. Rev. Lett. 1999. Vol. 83, P. 3649.

13. Birdsall C. K. Particle-in-Cell Charge-Particle simulations, Plus Monte-Carlo Collisions With Neutral Atoms, PIC-MCC // IEEE Trans. Plasma Sci. 1991. Vol. 19, No. 2. P. 65-85.

14. Godyak V.A., Khanneh A.S. Ion bombardment secondary electron maintenance of steady RF discharge // IEEE Trans. Plasma Sci. 1986. Vol. 14. Pp. 112-123,

15. Nagayama K., Farouk B., H.Lee Y., Particle simulation of radio-frequency plasma discharges of methane for carbon film deposition // IEEE Trans. Plasma Sci. 1998. Vol. 26, P. 125.

16. K. Bera, B. Farouk, Y.H. Lee, Effects of reactor pressure on two-dimensional radio-frequency methane plasma: a numerical study // Plasma Source Sci. Technol. 1999, Vol. 8 P. 412.

17. Sugai H., Kojima H., Ishida A., Toyoda H. Spatial distribution of CH3 and CH2 radicals in a methane rf discharge // Appl. Phys. Lett. 1990. Vol. 56. P. 2616.

18. E. Kovacevic, I. Stefanovic, J. Berndt, and J. Winter, Infrared fingerprints and periodic formation of nanoparticles in Ar/C 2 H 2 plasmas // J. Appl. Physics. 2003. Vol. 93. P. 2924.

19. Bubeck R., Bechinger C., Neser S., Leiderer P. Melting and Reentrant Freezing of Two-Dimensional Colloidal Crystals in Confined Geometry // Phys. Rev. Lett. 1999. Vol. 82. P. 3364.Список публикаций статей автора по теме диссертации

20. Швейгерт И.В., Питере Ф.М. Влияние размера наночастщ на свойства емкостного высокочастотного разряда II Письма в ЖЭТФ. 2007. Т. 86 (9). Р. 662-669.

21. Nelissen К., Partoens В., Schweigert I., Peeters F. М., Induced order and re-entrant melting in classical two-dimensional binary clusters II Europhys. Lett 2006. Vol. 74 (6). P. 1052.

22. Швейгерт В.А., Швейгерт И.В. Ускоренный комбинированный PIC-MCC алгоритм для расчета емкостного высокочастотного разряда // Теплофизика и аэромеханика. 2006. Т. 13, № 3. Р. 435-444.

23. Schweigert I.V., Alexandrov A. Transition between Different Modes of a Capacitively Coupled Radio Frequency Discharge in CH4 in One and Two Dimensional PIC-MCC Simulations II IEEE Transaction on Plasma Science. 2005. Vol. 33. P. 615-622.

24. Schweigert I.V., Schweigert V.A., Peeters F. M. Perturbation of collisional plasma flow around a charged dust particle: Kinetic analysis II Phys. Plasmas. 2005. Vol. 12. P. 113501-113510.

25. Alexandrov A., Schweigert I.V. Two-dimensional PIC-MCC simulations of a capacitively coupled radio frequency discharge in methane II Plasma Sources Science and Technol. 2005. Vol. 14. P. 209-218.

26. Schweigert I.V. Different modes of a capacitively coupled radio-frequency discharge in methane 11 Phys. Rev. Lett. 2004. Vol. 92(15). P. 155001155005.

27. Швейгерт И.В. Различные моды горения емкостного высокочастотного разряда в метане II ЖЭТФ. 2004. 126, Vol. 4(10). Р. 1.

28. Schweigert I.V., Schweigert V.A. New combined PIC-MCC approach for fast simulation of a radio frequency discharge at low gas pressure II Plasma Source Sci. Technol. 2004. Vol. 13(2). P. 315-320.

29. Piacente G., Schweigert I. V., Betouras J. J., Peeters F. M. Generic properties of a quasi-one-dimensional classical Wigner crystal II Phys. Rev. В 2004. Vol. 69. P. 045324-045332.

30. Piacente G., Schweigert I.V., Betouras J. J., Peeters F.M., Structural properties and melting of a quasi-one-dimensional classical Wigner crystal II Physica E. 2004. Vol. 22. P. 779-782.

31. Schweigert I. V., Alexandrov A., Peeters F.M. Negative ion-drag force in a plasma of gas discharge II IEEE Trans, on Plasma Sci. 2004. Vol. 32 (2). P. 623-636.

32. Piacente G., Schweigert I.V., Betouras J.J., Peeters F.M. Structural properties and melting of a quasi-one dimensional classical Wigner crystal 11 Solid State Communication. 2003. Vol. 128. P. 57-61.

33. Schweigert I.V., Lehtinen K.E.J.M., Carrier J., Zachariah M. R. Structure and properties of silica nanoclusters at high temperatures!I Phys. Rev. B. 2002. Vol. 65. P. 235410-1 235410-9.

34. Schweigert V.A., Schweigert I.V., Nosenko V., Goree J. Acceleration and orbits of charged particles beneath a monolayer plasma crystal // Phys. Plasma. 2002. Vol. 9. P. 4465 4472.

35. V. Schweigert, V.A. Schweigert, and F.M. Peeters: Reply: Schweigert, Schweigert, and Peeters, Phys. Rev. Lett. 86, 4712 (2001).

36. Schweigert I.V., Schweigert V.A., Peeters F.M. Influence of the lattice symmetry on the bilayer Wigner crystal И J. Phys. IV France, 2000. Vol. 10. P. Pr5-117.

37. Schweigert I. V., Schweigert V.A., Melzer A., Piel A. Role of defects in the heating of the dust crystal in a rf discharhge II J. Phys. IV France, 2000. Vol. 10. P. Pr5-417.

38. Schweigert I.V., Schweigert V.A., Peeters F.M. Radial-Fluctuation-Induced Stabilization of the Ordered State in Two-Dimensional Classical Clusters II Phys. Rev. Lett. 2000. Vol. 84. P. 4381-4385.

39. Schweigert I. V., Schweigert V.A., Peeters F.M. Enhanced stability of the square lattice in a classical bilayer crystal II Phys. Rev. B. 1999. Vol. 60. P. 14665 14674.

40. Швейгерт И.В., Швейгерт B.A. и др. Плавление пылевого кристалла с дефектами // Письма в ЖЭТФ. 2000. Т. 71, С. 58.

41. Schweigert I.V., Schweigert V.A., Melzer A., Piel A. Influence of the defects on the melting of the dust cluster II Phys. Rev. E. 2000. Vol. 62. P. 1238-1244.

42. Schweigert I.V., Schweigert V.A., Peeters F.M. Melting of the classical bilayer Wigner crystal: influence of the lattice symmetry II Phys. Rev. Lett. 1999. Vol. 82. P. 5293.

43. Швейгерт И.В., Швейгерт B.A. Силы, действующие на кристалл микрочастиц в плазме IIПМТФ. 1998. Т. 39. Р. 8.

44. Швейгерт И.В., Швейгерт В.А. и др. Неустойчивость и плавление кристалла микрочастиц в радиочастотной газоразрядной плазме И ЖЭТФ. 1998. Т. 87. С. 905.

45. Швейгерт В.А., Беданов В.М., Швейгерт И.В. и др. Структура кристалла микрочастиц в высокочастотной газоразрядной плазме П ЖЭТФ. 1999. Т. 88. С. 482.

46. Schweigert V.A., Schweigert I.V., Melzer A., Homann A., Piel A. Plasma Crystal Melting: A Nonequilibrium Phase Transition II Phys. Rev. Lett. 1998. Vol. 80. P. 5345 5349.

47. Peeters F.M., Partoens В., Schweigert V.A., Schweigert I.V., Galdoni G. Classical atomic bilayers II Strongly Coupled Coulomb Systems / Eds. G.J. Kalman, K. Blagoev, J.M. Rommel. N.Y.: Plenum Press, 1998. 220 p.

48. Schweigert I.V., Schweigert V.A., Peeters F.M. Properties of two-dimensional Coulomb clusters confined in a ring I I Phys. Rev. B. 1996. Vol. 54. P. 10827-10834.

49. Schweigert V.A., Schweigert I.V., Melzer A., Homann A., Piel A. Structure and Stability of the plasma crystal II Phys. Rev. E. 1996. Vol. 54. P. R46 R50.

50. Schweigert V.A., Schweigert I.V. Coagulation in a low-temperature plasma // J. Phys. D: Appl. Phys. 1996. Vol. 29. P. 655 659.

51. Schweigert V.A., Schweigert I.V., Melzer A., Homann A., Piel A. Alignment and instability of dust crystals in plasmas II Phys. Rev. E. 1996. Vol. 54. P. 4155.

52. Жиляев М.И., Швейгерт И.В., Швейгерт В.А. Моделирование моноси-лановой газоразрядной плазмы И ПМТФ. 1994. Т. 35, N 1. С. 13-21.

53. Жиляев М.И., Швейгерт И.В., Швейгерт В.А., Гадияк Г.В. Моделирование плазмохимического осаждения и травления // Моделирование в механике 1993. Т. 7. N. 3 (58 pages).

54. Gadiyak G.V., Androsenko Р.А., Schweigert V.A., Schweigert I.V., Alex-androv A.L., Travkov I. V. MOPIT- open system for device and technology simulation II COMPEL, 1992. Vol. 11. N. 4. P. 445.

55. Швейгерт B.A., Швейгерт И.В. Математическое моделирование при-катодной области стационарного тлеющего самостоятельного разряда П ПМТФ. 1988. N. 4, С. 16-23.

56. Фомин В.М., Швейгерт В.А., Швейгерт И.В. Влияние нагрева газа на развитие самостоятельного тлеющего разряда высокого давления в инертных газах // ПМТФ. 1988. N. 5. С.15-18.

57. Швейгерт В.А., Швейгерт И.В. Катодная область тлеющего стационарного разряда в продольном потоке газа П Физика плазмы. 1989. Т. 15. N. 5. С. 621-624.

58. Швейгерт В. А., Швейгерт И.В. К теории катодной области тлеющего газового разряда И Тепл. выс. темп. 1989. Т. 271. С. 23-29.