N2微空心阴极放电及其阴极溅射等离子体过程

论文摘要

通过用PIC/MCC方法研究氮气微空心阴极放电等离子体过程,对微空心阴极放电的基本特征作了一些理论探讨。其中带电粒子在电场中的运动由PIC方法描述,粒子间的碰撞以及溅射Ti原子和背景气体之间的碰撞过程由MCC方法描述。用计算机Fortran语言结合PIC/MCC混合模型模拟计算出了氮离子（N2+,N+）的密度和平均能量的空间分布情况,并且描述了放电空间中电势和径向电场的空间分布。在此基础上计算出了阴极表面附近氮原子离子（N+）和氮分子离子（N2+）的密度和平均能量的分布。这些结果可以作为研究溅射过程的轰击离子（N2+,N+）的初始条件,对研究溅射原子的热化过程非常有用。并且分析研究了在阴极侧壁上氮离子（N2+,N+）的密度和平均能量随放电参数的变化情况。本文使用三维MCC方法对氮气微空心阴极放电空间中溅射Ti原子的热化过程进行了数值模拟,求出了溅射Ti原子的热化曲线,从曲线上我们可以看出,溅射出的原子在离阴极不远处大部分被热化了。溅射Ti原子的热化过程中只考虑溅射Ti原子与背景气体的弹性碰撞。计算出了溅射Ti原子的平均能量和密度的空间分布情况,求出了溅射Ti原子的能量分布函数,且研究了溅射率的影响因素。此外还用三维MCC模型模拟研究了氮气平板阴极辉光放电中溅射Ti原子的热化过程,并与Bogaerts计算的Ar气中Cu原子的热化曲线进行了比较,为模拟研究溅射原子对空间等离子体过程的影响奠定了基础。总的来说,氮气微空心阴极放电,是一个复杂的物理过程。放电空间的各个等离子体参量受到多种放电条件的制约。研究溅射Ti原子在微空心阴极放电空间的能量分布,对以后研究它们对放电空间所起到的影响时提供了很好的依据,对氮化材料合成和表面氮化处理也具有重要意义。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 空心阴极辉光放电
• 1.3 微空心阴极辉光放电
• 1.4 阴极溅射的机理
• 1.4.1 溅射过程分析
• 1.4.2 溅射的类型
• 1.5 研究进展
• 1.6 本论文的创新性
• 2 氮气微空心阴极放电PIC/MCC 混合模型
• 2.1 粒子初始状态安置
• 2.2 粒子和场的权重分配方法
• 2.3 PIC/MCC 混合模型
• 3 溅射原子热化过程理论模型
• 3.1 溅射率
• 3.2 热化过程
• 3.3 微空心放电中溅射过程的模拟
• 4 氮气微空心阴极放电空间等离子体模拟结果与分析
• 4.1 放电几何和放电参数
• 2⁺,N⁺）的密度分布'>4.2 放电空间氮离子（N₂⁺,N⁺）的密度分布
• 2⁺,N⁺）的平均能量分布'>4.3 放电空间氮离子（N₂⁺,N⁺）的平均能量分布
• 4.4 放电空间的电势和电场分布
• 4.5 本章小结
• 5 阴极附近氮离子的行为及随参数的变化模拟结果与分析
• 2⁺,N⁺）的密度和平均能量的分布'>5.1 阴极附近氮离子（N₂⁺,N⁺）的密度和平均能量的分布
• 2⁺,N⁺）的密度随参数（P,V,T）的变化'>5.2 阴极附近氮离子（N₂⁺,N⁺）的密度随参数（P,V,T）的变化
• 2⁺,N⁺）的平均能量随参数（P,V,T）的变化'>5.3 阴极附近氮离子（N₂⁺,N⁺）的平均能量随参数（P,V,T）的变化
• 5.4 本章小结
• 6 氮气微空心阴极放电溅射Ti 原子的行为及热化过程
• 6.1 溅射率
• 6.2 溅射Ti 原子的初始分布
• 6.3 溅射Ti 原子的热化过程
• 6.4 溅射Ti 原子的行为分布
• 6.5 本章小结
• 7 结论
• 参考文献
• 致谢