ИСТИНА

В рамках проекта предполагается создание модели плазмы тлеющего разряда постоянного тока, применительно к осаждению графеноподобных пленок (углеродных наностенок). Углеродные наностенки (УНС) представляют собой графеноподобные структуры толщиной от нескольких графеновых слоев до десятков нанометров, расположенные вертикально на подложке. Они обладают рядом уникальных свойств (большая удельная площадь, высокое аспектное отношение, хорошая проводимость и т.п.) благодаря которым могут находить применение в самых различных приложениях (электрохимические источники тока, автоэмиссионные катоды, газовые сенсоры, поглотители излучения и др.). Газофазное осаждение в углеводородной плазме разряда постоянного тока является наиболее просто реализуемым методом получения углеродных наностенок, однако даже в этом случае до сих пор нет четкого представления о механизмах роста подобных структур и влиянии плазмохимических параметров на их функциональные характеристики. До сих пор исследования в этом направлении ограничиваются установлением эмпирических закономерностей между параметрами синтеза и свойствами получаемых пленок, либо применением различных спектроскопических методов, зачастую также не дающих полной картины происходящих процессов. В данном проекте предполагается создание универсальной модели, позволяющей по определенному набору входных экспериментальных параметров получать пространственное распределение концентраций активных углеводородных радикалов и газовой температуры. Это позволит выявить зависимость структурных свойств углеродных наностенок от радикального состава плазмы и, таким образом, указать роль отдельных радикалов в росте наностенок, а также в сопутствующих процессах на их поверхности (вторичной нуклеации, травлении, залечивании дефектов и т.п.). В конечном счете, наличие подобной теоретической модели позволит предсказывать определенные тенденции в росте углеродных пленок при изменении различных параметров синтеза и геометрии установки. Предполагается оптимизация разрабатываемой модели с включением в нее максимально возможного количества эффектов как самой плазмы (учет неоднородности приведенного электрического поля, эффектов катодного слоя, диффузионного тока электронов и т.п.) так и внешних параметров установки (геометрии электродов, подложки, величины теплоотвода и т.п.). Одним из методов проверки модели будет сопоставление теоретических расчетов с экспериментальными данными оптической эмиссионной спектроскопии с применением актинометрических измерений.

1. Создание численной модели углеводородной плазмы тлеющего разряда постоянного тока применительно к режимам осаждения углеродных наностенок (УНС), позволяющей по определенному набору входных экспериментальных параметров получать пространственное распределение газовой температуры и концентраций активных углеводородных радикалов. 2. Оптимизация модели с включением в нее максимально возможного количества эффектов как самой плазмы (учет неоднородности приведенного электрического поля, эффектов катодного слоя, диффузионного тока электронов и т.п.) так и внешних параметров установки (геометрия электродов, подложки и т.п.). 3. Проверка модели на основе поиска корреляции между теоретическими расчетами и экспериментальными результатами, включающими в себя данные оптической диагностики плазмы. 4. Проведение осаждения УНС в широком диапазоне разрядных условий и поиск зависимости их структурных свойств от радикального состава плазмы, найденного на основе произведенного моделирования. 5. Анализ полученных результатов с формулированием выводов о роли отдельных углеводородных радикалов в росте УНС и сопутствующих процессах на их поверхности (вторичной нуклеации, травлении, залечивании дефектов и т.п.).

Научный коллектив данного проекта имеет большой опыт в плазмохимическом синтезе и исследовании структурных и функциональных свойств такого материала как углеродные наностенки, а также в моделировании различных процессов в низкотемпературной плазме. Участниками коллектива данного проекта был предложен метод многоступенчатого синтеза УНС, с помощью которого были получены углеродные пленки с уникальной иерархичной морфологией, обладающие высоким коэффициентом поглощения видимого излучения (до 99.88%). Активно исследуются и другие функциональные свойства УНС, в частности элетрохимические. Так УНС были использованы в качестве модельного материала для исследования катодных реакций в литий-воздушных батареях. Участниками коллектива были разработаны оригинальные и эффективные модели, позволяющие корректно описывать кинетику электронов с учетом нелокальности их энергетического спектра при моделировании процессов неравновесной плазме низкого давления в неоднородных электрических полях. Разработаны самосогласованные кинетические модели разряда в плазме на основе метода «Частиц в ячейке» с Монте-Карло столкновениями в частности для двухчастотных емкостных разрядов. Накопленный теоретический опыт позволит эффективно произвести численный расчет плазмы применительно к поставленной задаче. Так, впервые было произведено численное моделирование углеводородной плазмы тлеющего разряда постоянного тока применительно к режимам осаждения углеродных наностенок. Данные расчетов позволили сделать ряд предварительных выводов о роли некоторых углеводородных радикалов в росте УНС, в частности было поставлено под сомнение широко распространенное представление о С2 радикалах, как об основных строительных блоках для УНС. Однако, используемая упрощенная модель требует дальнейшей доработки и проверки.