Анотація до роботи:

Денисенко І.Б. “Просторові та просторово усереднені параметри слабоіонізованої плазми газових розрядів низького тиску” — Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.08 — фізика плазми. — Харківський національний університет ім. В. Н. Каразіна, Харків, 2007.

У дисертації теоретично досліджено властивості газових розрядів низького тиску (індукційних, на поверхневих хвилях (ПХ) та з пиловими частинками) та розроблено методи керування просторовими та просторово усередненими параметрами цих розрядів. Побудовано гідродинамічні моделі для плазмових стовпів, що підтримуються ПХ, в яких враховано перенос енергії електронами. Вивчено вплив зовнішніх параметрів на радіальний розподіл густини потоку іонів на поверхню, що обробляється в індукційному джерелі плазми, та на властивості Ar/CH₄/H₂ індукційного джерела плазми, яке використовувалося при вирощуванні вуглецевих наноструктур. Побудовано гідродинамічні та кінетичні теорії газових розрядів, які містять у своєму об’ємі пилові частинки, та встановлено вплив пилових частинок субмікронного та нанометрового розмірів на параметри плазми газових розрядів низького тиску. Показано, що в плазмі з негативними іонами сила захоплення пилових частинок негативними іонами може бути одного порядку з іншими силами, які діють на пилові частинки.

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової проблеми, яке полягає в розробці фізичних засад газових розрядів низького тиску (індукційних, на ПХ та з пиловими частинками) та в керуванні просторовими та просторово усередненими параметрами цих розрядів. Побудовано гідродинамічні моделі для плазмових стовпів, що підтримуються ПХ, в яких враховано перенос енергії електронами. З’ясовано, як зовнішні параметри впливають на просторовий розподіл густини потоку іонів на поверхню, що обробляється в індукційному джерелі плазми. Побудовано гідродинамічні та кінетичні теорії газових розрядів, які містять у своєму об’ємі пилові частинки, та встановлено вплив пилових частинок на параметри плазми газових розрядів низького тиску. Показано, що в плазмі з негативними іонами сила захоплення пилових частинок негативними іонами може бути одного порядку з іншими силами, які діють на пилові частинки.

Наведемо основні результати, які здобуто в дисертаційній роботі:

1. Визначено вплив радіального теплового потоку електронів на радіальні розподіли параметрів плазми, що підтримується аксіально-симетричними поверхневими хвилями в довгих циліндричних трубках. Показано, що за типових умов оперування газових розрядів на поверхневих хвилях тепловий потік електронів суттєво впливає на параметри розряду.

2. За різних зовнішніх умов обчислено просторові розподіли густини, температури електронів та потоки іонів на поверхню, що обробляється в індукційному розряді частотою 13.56 МГц. Встановлено, як тиск робочого газу, ВЧ потужність, що поглинається в розряді, та геометрія індуктора впливають на параметри індукційного джерела плазми. Теоретично показано, що для отримання максимально однорідних потоків іонів на дно камери краще розташовувати витки зі струмом на боковій, а не на верхній поверхні камери.

3. Встановлено вплив тиску робочого газу, потужності, що поглинається в розряді, та температури робочого газу на просторові розподіли густини та температури електронів, густини атомів аргону у 3р⁵5p збудженому стані в індукційному джерелі плазми, що підтримується струмом частотою 0.46 МГц з робочим газом аргоном. Показано, що температура електронів у цьому індукційному джерелі плазми зростає при збільшенні температури робочого газу.

4. Розроблено глобальну (для знаходження середніх величин) модель Ar/CH₄/H₂ індукційного джерела плазми, яке створено у Нанянг технологічному університеті м. Сінгапур і використовувалось при осадженні вуглецевих наноконусів. За допомогою цієї моделі визначено густини іонів та нейтральних частинок, потоки іонів та радикалів на дно камери, ефективну температуру електронів та ступені дисоціації метану та водню. Теоретично показано, що густини частинок та їхні потоки на зразок можна ефективно змінювати, варіюючи ВЧ потужність, що поглинається в розряді, та швидкості газопотоку метану та аргону. Встановлено, що за умов формування наноконусів потоки іонів на дно камери, які містять вуглець та водень, приблизно дорівнюють потокам вуглеводневих радикалів. Розроблено теоретичну модель, що описує формування вертикальних вуглецевих нановолокон в плазмових реакторах. Теоретично показано, що швидкість росту нановолокон зростає при збільшенні потоку іонів на зразок та зменшується при збільшенні потоку атомів газу, що травить поверхню.

5. Розроблено одновимірну теоретичну модель високочастотного ємнісного Ar-C₂H₂ розряду з пиловими частинками. З’ясовано, як пилові частинки впливають на поглинання енергії у розряді (враховуючи омічне нагрівання у розряді та стохастичне нагрівання у шарах просторового заряду біля електродів), на просторовий розподіл інтенсивності випромінювання 660.45 нм лінії атомів аргону, на розмір шарів просторового заряду, на ВЧ електричне поле, а також на енергію іонів, з якою вони бомбардують електроди. Теоретично показано, що розмір шарів просторового заряду біля електродів та поглинання потужності в цих шарах у ємнісному Ar-C₂H₂ пиловому розряді зменшується зі збільшенням радіусу пилових частинок.

6. Розроблено гідродинамічні моделі електронегативних розрядів з пиловими частинками субмікронного та нанометрового розмірів. З’ясовано, як властивості плазми цих розрядів залежать від зовнішніх параметрів (тиску робочого газу, потужності, що поглинається на одиниці площі, та розміру плазмового шару), випромінювання атомів, які перебувають у збуджених станах, розміру та густини пилових частинок. Показано, що у пиловій електронегативній плазмі при просторовому розподілі пилових частинок, близькому до однорідного, зі зростанням густини або розміру пилових частинок просторовий розподіл густини іонів стає більш однорідним.

7. Розроблено кінетичні моделі обмеженої пилової плазми, за допомогою яких теоретично з’ясовано, як пилові частинки субмікронного розміру впливають на функцію розподілу електронів за енергією. Показано, що вплив непружних електрон-пилових зіткнень на розподіл електронів за енергією є більш суттєвим, ніж вплив пружних електрон-пилових зіткнень. За високих густин пилових частинок завдяки непружним електрон-пиловим зіткненням функція розподілу електронів за енергією у ВЧ аргоновій плазмі може стати близькою до максвелівського розподілу.

8. Використовуючи кінетичний підхід, обчислено просторові розподіли густини та ефективної температури електронів в ємнісних та індукційних розрядах з неоднорідним просторовим розподілом густини пилових частинок. Показано, що ефективна температура електронів T_eff в ємнісних розрядах зростає в областях з підвищеною густиною пилових частинок завдяки збільшенню амплітуди високочастотного електричного поля. В індукційних розрядах T_eff в областях з високою густиною пилових частинок може бути меншою, ніж у сусідніх областях без пилових частинок, завдяки збиранню високоенергетичних електронів пиловими частинками, а також завдяки нелокальній залежності високочастотного електричного поля від густини електронів.

9. Проаналізовано, як дифузія електронів, що виникає у пиловому розряді завдяки просторовій неоднорідності плазми, впливає на функцію розподілу електронів за енергією, ефективну температуру електронів та заряд пилових частинок. Знайдено умови, за яких електрони у розряді з пиловими частинками мають функцію розподілу електронів за енергією, що описується однорідним рівнянням Больцмана.

10. Обчислено просторовий розподіл сили захоплення пилових частинок негативними іонами у шарі електронегативної плазми за різних тисків робочого газу, радіусів пилових частинок та густин електронів та негативних іонів. Порівняно цей розподіл з розподілами електричної сили та сили захоплення пилових частинок позитивними іонами. Показано, що за малих густин іонів (коли іон-іонна рекомбінація є несуттєвою) сила захоплення пилових частинок негативними іонами є значно меншою за силу захоплення позитивними іонами. За високих густин іонів, коли втрати іонів у рекомбінаційних процесах стають суттєвими, сила захоплення пилових частинок негативними іонами може бути одного порядку з силою захоплення позитивними іонами і спрямована у напрямку, протилежному силі захоплення позитивними іонами.

Публікації автора:

1. Azarenkov N. A., Denysenko I. B., Gapon A.V., Johnston T. W. The radial structure of a plasma column sustained by a surface wave // Physics of Plasmas. – 2001. – Vol. 8 , № 5. – Р. 1467 -1481.

2. Denysenko I. B., Azarenkov N. A., Yu M. Y. Radial structure of surface-wave sustained plasmas // Physica Scripta. – 2002. – Vol. 65. – P. 76 - 82.

3. Azarenkov N.A., Gapon A.V., Denisenko I.B., Smolyakov A.I. Influence of resonance energy absorption on the properties of gas discharge maintained by asymmetric surface waves // Physica Scripta. – 1999. – Vol.59. – P. 298 - 301.

4. Denysenko I.B., Gapon A.V, Azarenkov N.A., Ostrikov K.N., Yu M.Y. Parameters and equilibrium profiles for large-area surface-wave sustained plasmas // Physical Review E. – 2002. –Vol. 65, 046419. – 11 p.

5. Азаренков Н. А., Гапон А. В., Денисенко И. Б., Клепиков В. Ф. Газовый разряд на поверхностных волнах между двумя плоскими металлическими поверхностями во внешнем магнитном поле // Радиофизика и радиоастрономия. – 1998. – Т. 3, № 1. – С. 61 - 67.

6. Denysenko I., Dudin S., Zykov A., Azarenkov N., Yu M. Y. Ion flux uniformity in inductively coupled plasma sources // Physics of Plasmas. – 2002. – Vol. 9, № 11. – P. 4767 - 4775.

7. Ostrikov K. N., Denysenko I. B., Tsakadze E. L., Xu S., Storer R. G. Diagnostics and two-dimensional simulation of low-frequency inductively coupled plasmas with neutral gas heating and electron heat fluxes // Journal of Applied Physics. – 2002. – Vol. 92, № 9. – P. 4935 - 4946.

8. Denysenko I. B., Xu S., Long J. D., Rutkevych P. P., Azarenkov N. A., Ostrikov K. Inductively coupled Ar/CH4/H2 plasmas for low-temperature deposition of ordered carbon nanostructures // Journal of Applied Physics. – 2004. – Vol. 95, № 5. – P. 2713 - 2724.

9. Denysenko I., Ostrikov K. Ion-assisted precursor dissociation and surface diffusion: Enabling rapid, low-temperature growth of carbon nanofibers //Applied Physics Letters. – 2007. – Vol. 90, 251501. – 3 р.

10. Denysenko I., Berndt J., Kovacevic E., Stefanovic I., Selenin V., Winter J. The response of a capacitively coupled discharge to the formation of dust particles: Experiments and modeling // Physics of Plasmas. – 2006. – Vol.13, 073507. – 10 p.

11. Ostrikov K., Denysenko I. B., Vladimirov S.V., Xu S., Sugai H., Yu M. Y. Low-pressure diffusion equilibrium of electronegative complex plasmas // Physical Review E. – 2003. – Vol. 67, 056408. – 13 p.

12. Denysenko I. B., Ostrikov K., Xu S., Storer R. G. Spatial distribution of plasma parameters in a nanoparticle-loaded silane discharge // Singapore Journal of Physics. – 2001. – Vol. 17, № 1. – P. 79-91.

13. Denysenko I. B., Ostrikov K., Xu S., Yu M. Y., Diong C. H. Nanopowder management and control of plasma parameters in electronegative SiH4 plasmas // Journal of Applied Physics. – 2003. – Vol. 94, № 9. – P. 6097- 6107.

14. Denysenko I., Ostrikov K., Rutkevych P. P., Xu S. Numerical simulation of nanoparticle-generating electronegative plasmas in the PECVD of nanostructured silicon film // Computational Materials Science. – 2004. – Vol. 30. – P. 303 - 307.

15. Denysenko I., Yu M. Y., Azarenkov N. A. Effect of negative-ion flux on ion distribution around a spherical probe in electronegative plasmas // Physics of Plasmas. – 2006. – Vol. 13, 013505. – 7 p.

16. Denysenko I., Yu M. Y., Ostrikov K., Smolyakov A. Spatially averaged model of complex-plasma discharge with self-consistent electron energy distribution // Physical Review E. – 2004. – Vol. 70, 046403. – 12 p.

17. Denysenko I., Yu M. Y., Ostrikov K., Azarenkov N. A., Stenflo L. A kinetic model for an argon plasma containing dust grains // Physics of Plasmas. – 2004. – Vol. 11, № 11. – P. 4959 - 4967.

18. Denysenko I., Ostrikov K., Yu M. Y., Azarenkov N. A. Behavior of the electron temperature in nonuniform complex plasmas // Physical Review E. – 2006. – Vol. 74, 036402. – 6 p.

19. Denysenko I., Yu M. Y., Xu S. Effect of plasma nonuniformity on electron energy distribution in a dusty plasma // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2005. – Vol. 38. – P. 403 - 408.

20. Ostrikov K., Denysenko I., Yu M. Y., Xu S. Electron energy distribution function in low-pressure complex plasmas // Journal of Plasma Physics. – 2005. – Vol. 71, № 2. – P. 217 - 224.

21. Denysenko I., Yu M. Y., Stenflo L., Azarenkov N. A. Ion drag on dust grains in electronegative plasmas // Physics of Plasmas. – 2005. – Vol. 12, 042102. – 8 p.

22. Denysenko I., Yu M. Y., Stenflo L., Xu S. Ion drag force in plasmas at high electronegativity // Physical Review E. – 2005. – Vol.72, 016405. – 9 p.

23. Rutkevych P. P., Ostrikov K., Denysenko I. B., Storer R. G., Xu S. Simulation of gas-phase nanoparticle dynamics in the plasma-enhanced chemical vapor deposition of carbon nanostructures // Physica Scripta. – 2004. – Vol. 70. – P. 322 - 325.