自偏压对低气压射频氩气辉光放电影响的数值模拟

论文摘要

辉光放电等离子体技术工艺成本不高,并且与现阶段所提倡的环保理念相吻合。凭借着该技术所呈现出来的优点,它在许多工业领域内被广泛采用。例如在微电子领域中的半导体制作与加工、等离子体刻蚀、等离子体薄膜沉积,在材料表面改性以及医疗、化工、环保等其他领域皆有应用。相比于在大气压和高气压的情况下,辉光放电等离子体在低气压条件下更容易产生。但是低气压条件下辉光放电产生等离子体是非常复杂的非线性物理过程,其物理机理还有许多问题没有搞清楚。其中,放电过程中由于电极上堆积带电粒子产生的自偏压所造成的影响,包括对放电结构影响的机理,放电过程中能量转换的机理,放电条件对放电模式影响的机理等都很少有深入的研究报道。为了使低温等离子体领域的应用效率有所提高,我们必须对等离子体放电受自偏压的影响做深入、细致的研究。随着近年来计算机技术的不断发展,计算机的运算速度和存储空间不断提高,为数值模拟提供了有利的条件。数值模拟是研究等离子体的常用方法,其具有精度高、成本低、误差小等特点,因此,本文选择通过构建流体模型进行数值分析的方法对平行板电极低气压氩气射频容性辉光放电受不同自偏压影响进行了比较系统的研究。本文构建了一个流体模型,在规定的条件下对其进行无量纲化与差分变换后得到其各物理量的离散方程。自偏压的产生是一个复杂的物理过程,受电极材料等一系列因素影响。在本工作中,我们主要关注自偏压峰值与自偏压饱和时间这两个参数。因此建立了一个包含自偏压峰值与自偏压饱和时间的简单的自偏压模型。本文通过这个模型探讨了不同自偏压对平行板电极低气压氩气射频容性辉光放电的影响。在经过两千个射频周期的数值计算后,获得了等离子体的一些宏观物理量在不同自偏压影响下的空间分布。最后对结果进行分析与解释得到结论。本研究对辉光放电及其应用提供进一步的理论支持。本论文共分为两个部分研究自偏压对低气压氩气辉光放电的影响,第一部分分别研究了不同自偏压峰值与自偏压饱和时间对低气压氩气辉光放电电离的影响,第二部分主要探讨了不同自偏压条件下对低气压氩气辉光放电能量传递的影响。最终结果发现随着自偏压峰值增大,驱动极鞘层变宽,接地极鞘层变窄,各物理量峰值随之改变,破坏了对称的放电结构,而不同自偏压饱和时间对各物理量空间分布影响不大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景及研究意义
•   1.2 等离子体概述
•     1.2.1 等离子体的定义与概念
•     1.2.2 等离子体的分类
•     1.2.3 低温等离子体的概述
•   1.3 等离子体辉光放电概述
•     1.3.1 辉光放电原理
•     1.3.2 汤生放电理论概述
•     1.3.3 辉光放电形成低温等离子体的方法
•   1.4 低温等离子体技术的发展
•     1.4.1 低温等离子体研究的发展现状
•     1.4.2 低温等离子体研究的发展前景
•   1.5 本文主要研究内容
• 2 平行板电极低气压氩气射频辉光放电等离子体数值模型
•   2.1 低温等离子体数值研究方法
•   2.2 平行板电极低气压氩气射频辉光放电等离子体数值模型建立
•     2.2.1 低气压氩气射频辉光放电等离子体流体模型建立的基本假设
•     2.2.2 低气压氩气射频辉光放电等离子体流体模型方程
•   2.3 低气压氩气射频辉光放电等离子体流体模型的计算方法
•     2.3.1 分量方程
•     2.3.2 初始条件与边界条件
•     2.3.3 无量纲化
•     2.3.4 差分格式
•     2.3.5 计算步骤
•     2.3.6 计算参数
•   2.4 本章小结
• 3 自偏压对低气压氩气射频辉光放电等离子体电离的影响
•   3.1 引言
•   3.2 模拟结果与讨论
•     3.2.1 等离子区电子密度峰值随时演化
•     3.2.2 放电达稳态时电势与电场的空间分布
•     3.2.3 放电达稳态时离子密度与电子密度的空间分布
•     3.2.4 放电达稳态时电子温度与电离率的空间分布
•   3.3 本章小结
• 4 自偏压对低气压氩气射频辉光放电等离子体能量传递的影响
•   4.1 引言
•   4.2 模拟结果与讨论
•     4.2.1 放电达稳态时电子加热功率沉积的空间分布
•     4.2.2 放电达稳态时电流密度的空间分布
•   4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 郑俊璘

导师: 刘悦

关键词: 射频辉光放电,自偏压,流体模型,放电结构

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 大连理工大学

分类号: O461.21

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.000894

总页数: 53

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