Разработка компактных плазмохимических реакторов на основе управляемой неравновесной плазмы в задачах синтеза наноструктур

Заявленный проект является логическим продолжением предыдущего проекта РНФ № 22-22-20099 и посвящен фундаментальным исследованиям неравновесной газоразрядной плазмы в процессе синтеза наноструктур и разработке компактных плазмохимических реакторов по синтезу углеродных и кремниевых наноструктур. По способу синтеза наноструктур можно выделить два основных подхода. В первом подходе используется сильнонеравновесная плазма тлеющих разрядов в инертных газах. Прекурсорами выступают примеси содержащие элементы, из которых предполагается получить наноструктуры. В частности, это различные органические соединения - метан, пары этанола и тд., и кремний содержащие газы - силан. В результате конверсии этих примесей на различные типы радикалов и чистые вещества - углерод, кремний, происходит их кластеризация, сборка в различные типы наноструктур, в том числе и нанокристаллы. Вторым способом синтеза наноструктур является использование термической плазмы, генерируемой дуговыми разрядами. Дуговой разряд характеризуется высоким градиентом температур и короткими временами роста наночастиц порядка микросекунд. В этом способе прекурсоры поступают в разрядный промежуток в результате распыления и испарения композитных электродов, в частности, графитовых с добавками различных элементов (кремния, металлов). Таким образом, большинство материалов, вводимых в данных методах в качестве добавки в графитовый электрод (анод), будут претерпевать фазовые переходы, испарение и конденсацию. В дуге происходит атомарное распыление и испарение материалов с последующим быстрым охлаждением продуктов, что приводит к конденсации с большим пресыщением в газовой фазе. Варьируя параметры разряда и добавляя в систему каталитические комплексы, возможно, получать все существующие аллотропные модификации углерода, а также композиционные наноматериалы, состоящих из углерода и металлов, их оксидов или карбидов. В рамках выполнения проекта, предполагается решение следующих задач: 1) В рамках глобальных моделей провести параметрический анализ и определить основные каналы протекания элементарных процессов в тлеющем разряде при различных внешних условиях в смесях двух газов: аргон(или гелий)/этанол, аргон(или гелий)/метан, аргон(или гелий)/силан, а также в смесях трех газов: аргон(или гелий)/этанол/силан. 2) Разработать одномерные и двумерные самосогласованные физико-математические модели тлеющих разрядов с редуцированными наборами элементарных процессов в смесях газов, рассмотренных в п 1 и провести параметрические исследования параметров плазмы в широком диапазоне внешних параметров: по давлению, вкладываемой мощности и процентному содержанию примесей. 3) Численно в рамках единых моделей, описывающих процессы в газоразрядной плазме и электродах (для одномерных и двумерных с осевой симметрией геометрий), а также экспериментально исследовать потоки испарившихся из атомов и молекул (углерода, кремния и различных металлов) в дуговом разряде с композитным анодом. Определить наиболее выгодные области в разрядной камере для синтеза различных типов наноструктур. 4) Провести экспериментальную диагностику плазмы тлеющих и дуговых разрядов в постоянном и импульсном режимах в условиях синтеза наноструктур с помощью оптической эмиссионной спектроскопии, высокоскоростной съемки и зондовой диагностики, а также исследования по диагностике синтезированных наноструктур. Для коротких тлеющих разрядов и тлеющих разрядов с полым катодом предполагается уделить особое внимание детальной зондовой диагностике параметров плазмы, в том числе с анализом быстрой части функции распределения электронов (ФРЭЭ) и определения по ней концентраций возбужденных частиц, а также оценить концентрации продуктов конверсии малых примесей углеводородов и силана. 5) Разработать и оптимизировать на основе численных расчетов и экспериментальных исследований компактные плазмохимические ректоры на основе тлеющего и дугового разрядов по синтезу углеродных и кремниевых наноструктур.