等离子体源离子注入鞘层动力学行为的数值模拟研究

论文摘要

等离子体源离子注入（Plasma source ion implantation）技术作为冷等离子体表面改性处理的一种方式,广泛应用在半导体PN结制备、金属表面抗腐抗磨处理和绝缘材料隔氧隔水优化等工业生产中。在实际工艺过程中,在注入材料表面形成的等离子体鞘层的特性对材料改性效果有很大影响。因此,有必要从理论上深入研究PSII过程中鞘层的演化特点。本文结合PSII技术在绝缘材料中的应用,采用数值模拟的方法,以无限长聚对苯二甲酸乙二醇脂（Polyethylene Terephthalate,PET）圆管作为研究对象,研究讨论在氮等离子体注入到PET圆管内表面的过程中,圆管内部所形成的加速离子注入的鞘层区的时空演化特点。本文采用一维流体动力学模型,结合绝缘材料的表面充电效应方程,模拟研究了在PET圆管内表面的PSII过程中鞘层动态演化的规律,重点分析讨论了单离子和双离子与中性粒子的弹性碰撞效应及主要的实验参数对鞘层演化特性的影响。研究结果表明:1.在单离子体系中,粒子间的弹性碰撞作用会明显降低鞘层厚度、降低PET圆管内表面积累的电荷密度和注入离子束流密度。而注入离子速度和PET圆管内表面的离子入射能量不仅数值下降,它们随时间变化的曲线峰值位置也随之前移。这表明碰撞对鞘层扩展有阻碍作用,且阻力强度与外加脉冲偏压的波形有关。2.在单离子体系中,通过改变脉冲偏压峰值、气压和PET薄膜厚度这些外界参数,鞘层厚度、PET圆管内表面的离子入射能量和表面积累的电荷密度等均随之改变。且气压参数的变化对鞘层的改变影响较大。3.在双离子体系中,双离子的成分比值变化对鞘层参数有一定影响。随着N（10）成分比例的增加,鞘层厚度增加,介质表面积累的电荷增加,即表面充电效应加重。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 等离子体概述
•     1.1.1 对等离子体的初步认识
•     1.1.2 实验室中的人造等离子体
•     1.1.3 冷等离子体的应用
•   1.2 等离子体源离子注入技术的研究进展
•     1.2.1 等离子体源离子注入技术的优点
•     1.2.2 等离子体源离子注入技术的应用原理
•     1.2.3 等离子体源离子注入技术的四种模拟方法
•     1.2.4 等离子体源离子注入技术的研究现状
•     1.2.5 等离子体源离子注入技术的扩展性研究
•   1.3 本论文的研究内容的安排
• 2 PSII绝缘性圆管内表面的鞘层动力学模型
•   2.1 实验装置
•   2.2 理论模型
•     2.2.1 绝缘性圆管内表面的有效电势
•     2.2.2 绝缘性圆管的流体动力学模型
•     2.2.3 方程组的无量纲化与求解
•   2.3 本章小结
• 3 单粒子条件下的PET圆管内表面鞘层的时空演化特性
•   3.1 碰撞效应对PET圆管内部的鞘层时空演化特性的影响
•     3.1.1 碰撞效应对PET圆管内的鞘层扩展的影响
•     3.1.2 碰撞效应对PET圆管内表面的注入相关参数的影响
•   3.2 外界参数对PET圆管内表面鞘层随时间演化的影响
•     3.2.1 改变脉冲负偏压幅值
•     3.2.2 改变气压
•     3.2.3 改变介质薄膜厚度
•   3.3 本章小结
• 4 离子成分比对PET圆管内表面鞘层随时间演化的影响
•   4.1 考虑两种注入离子的理论模型
•     4.1.1 双离子注入PET圆管内表面处的有效电势
•     4.1.2 双离子注入PET圆管内表面的流体动力学模型
•   4.2 离子成分比对PET圆管内表面鞘层随时间演化的影响
•   4.3 本章小结
• 总结
• 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: 吕金

导师: 李雪春

关键词: 等离子体源离子注入,鞘层,圆管,弹性碰撞,离子成分比

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: O53

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.001687

总页数: 59

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