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尘埃的充电和生长过程对等离子体参数的影响

作　者: 刘瑞贤
导　师: 王晓钢
学　校: 大连理工大学
专　业: 等离子体物理
关键词: 尘埃颗粒充电过程生长过程电子密度电子温度
分类号: O53
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 41次
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内容摘要

尘埃等离子体广泛存在于星际空间、电离层、行星大气、以及实验室的等离子体装置中和材料的等离子体处理过程中。近年来,人们发现等离子体中的尘埃颗粒对用于材料处理的气体放电有重要的影响:一方面在微电子加工中,尘埃颗粒对刻蚀和沉积过程会造成污染,影响半导体集成电路加工的质量;另一方面气体放电中的尘埃颗粒的形成和生长又为粉末合成和表面改性及等离子体化学提供了一种独特的新方法。这两方面让人们产生对应用于材料处理的气体放电中尘埃粒子的行为及其对放电参数影响的研究兴趣。本文在考虑电子密度和电子温度是随时间变化的情况下,用等离子体的能量守恒方程研究了尘埃颗粒的动态充电过程和颗粒的缓慢生长过程及其对等离子体参数的影响,并与实验结果做比较分析。第一章,简要介绍了尘埃等离子体的基本概念、研究近况和研究方法。第二章,介绍了尘埃充电的基本理论和等离子体稳态放电分析中的守恒量——粒子数守恒和能量守恒。第三章,介绍了尘埃颗粒的形成和生长过程。对颗粒的快速生长(凝聚过程)过程和缓慢生长过程中的机制进行了简单概述。第四章,结合具体实验研究了尘埃颗粒的充电过程及其对等离子体参数的影响。通过分析发现,尘埃的充电使得电子密度急剧减少,而电子温度急剧升高。而且颗粒的充电是一个非常短的过程,其在R_d=40hm时的特征充电时间τ～400μs。在充电电流只考虑电子流和离子流时,尘埃颗粒带负电,所带的电荷数在R_d=40nm时约为111个电子电荷。另外,充电过程中等离子体吸收的功率主要用于电子和中性原子的碰撞电离和激发,而离子在器壁损失的能量和尘埃颗粒上的电子所损失的能量在充电过程中都很小,并且离子在器壁损失的能量远远大于附着到尘埃颗粒上的电子所损失的能量,约为总能量的3%。第五章,结合具体实验研究尘埃颗粒的生长过程及其对等离子体参数的影响。通过分析发现,尘埃颗粒的缓慢生长对放电中的电子密度影响很小,电子密度变化得很缓慢,但是电子的温度却仍然是在不断增大,变化范围为5.0eV～15eV。而生长过程中等离子体吸收的功率主要用于电子的碰撞电离损失,约占总能量的50%,不同于充电过程的是这时候的电离能量损失是大于激发能量损失的。另外,在此阶段,离子在器壁上的能量损失是在不断增加的,在100s时甚至与电离损失能量相当,而电子在颗粒上的能量损失依旧很小。离子在器壁上损失能量的增加可能会影响到薄膜的沉积时放电的稳定性。最后,给出了本文的主要结论及以后工作的展望

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
引言  10-12
1 综述  12-24
  1.1 尘埃等离子体简介  12-18
    1.1.1 等离子体  12-13
    1.1.2 尘埃等离子体  13-14
    1.1.3 尘埃等离子体的存在  14-18
  1.2 尘埃等离子体的研究进展  18-20
  1.3 尘埃等离子体的研究方法  20-23
    1.3.1 理论研究方法  20-22
    1.3.2 数值模拟  22
    1.3.3 实验研究  22-23
  1.4 本论文的主要研究内容  23-24
2 尘埃颗粒的充电和等离子体稳态放电分析中的守恒量  24-29
  2.1 颗粒的充电  24-26
    2.1.1 轨道运动限制理论(Orbital Motion Limited,OML)  24-26
    2.1.2 尘埃的充电过程  26
  2.2 等离子体稳态放电分析中的守恒量  26-29
    2.2.1 粒子数守恒  27
    2.2.2 能量守恒  27-29
3 尘埃颗粒的形成和生长  29-33
  3.1 尘埃颗粒的凝聚现象  29-31
  3.2 尘埃颗粒的缓慢生长  31-33
4 尘埃的充电过程及其对等离子体参数的影响  33-44
  4.1 研究背景  33
  4.2 理论模型  33-36
  4.3 结果与讨论  36-43
  4.4 结论  43-44
5 尘埃的生长过程及其对等离子体参数的影响  44-52
  5.1 研究背景  44-45
  5.2 理论模型  45-47
  5.3 结果与讨论  47-50
  5.4 本章小结  50-52
结论  52-54
参考文献  54-59
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  59-60
致谢  60-61

尘埃的充电和生长过程对等离子体参数的影响

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