CC BY
0Л ФИЗИКА ПЛАЗМЫ ИИЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
^hla -пизхоровские недели-
Термодинамическая оценка реакций, сопровождающих газофазный рост и травление алмаза в смеси водорода, метана и кислорода
Крылов Ю.М., Осянин Д.Н., Федорова И.А.
1- Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, Москва
2- Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва
Е-mail: payday780400@yandex.ru
DOI: 10.24412/cl-35673-2024-1-158-159
Плазмохимический рост алмаза в смеси водорода, метана и кислорода широко применяется в научных исследованиях и на производстве. Методом низкокогерентной интерферометрии [1] экспериментально фиксируется переход от плазмохимического роста алмаза к его травлению при небольшом возрастании концентрации кислорода от 0 % до 3 % в смеси 5 % метана в водороде. Повышение температуры алмазной подложки также меняет равновесие в сторону травления алмаза. Ранее были опубликованы подробные результаты моделирования концентрации в СВЧ плазме различных молекул и радикалов, участвующих в 500 прямых, обратных и побочных реакциях газофазного синтеза алмаза на основе данных о кинетике химических реакций [2]. Метод химической кинетики оказался достаточно сложен и неочевиден при интерпретации экспериментальных результатов для тройной смеси CH4-H2-O2. Между тем, в научной литературе данный вопрос не нашёл сколько-нибудь детального рассмотрения с точки зрения такого наглядного фундаментального метода, как химическая термодинамика [3]. В данной работе сообщается о результатах расчёта основных термодинамических функций и констант равновесия для цепочки прямых и обратных химических реакций, отвечающих за рост и травление алмаза в смеси H2-CH4-O2. В расчёт берутся не только молекулы и радикалы, но также соответствующие катионы и анионы, присутствующие в плазме, а также на границе раздела твёрдой фазы и плазмы. Представлены результаты расчёта констант равновесия реакций методом Чейза [4] при температурах алмазной подложки от 700 °С до 1200 °С и температурная зависимость для констант равновесия упомянутых реакций. Экспериментально наблюдаемое влияние кислорода на ускорение травления алмаза в кислород-
я A sE 22-24 октябРя 2024 г-
водородной плазме объясняется тем, что изменения энергии Гиббса окислительных реакций (Салм^С0^С02) в системе CH4-H2-O2 намного больше по модулю, чем восстановительных ^Щ^-Салм) реакций на всех стадиях. В докладе, кроме того, демонстрируются результаты расчёта того, как именно влияет изменение температуры на химические превращения, связанные с ростом или травлением алмаза в тройной смеси H2-CH4-O2.
Авторы выражают благодарность научному руководителю, к.ф.-м.н. Совыку Д.Н., к.ф.-м.н. Ральченко В.Г. за постановку научной задачи и редактирование доклада и д.ф.-м.н. Юрову В.Ю. за помощь в измерениях и обсуждение результатов.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда, грант № 23-42-00120.
1. Yurov V. et al., Physical Chemistry Chemical Physics. 2023, 25(39), 26623-26631.
2. Ashfold M.N.R., Mankelevich Y.A., Diamond and Related Materials. 2023, 137, 110097.
3. Крылов Ю.М., Совык Д.М., Ральченко В.Г. X Международная конференция «Лазерные, плазменные исследования и технологии ЛАПЛАЗ 2024», с. 200.
4. Chase M.W., Jr. // NIST-JANAF Themochemical Tables, Fourth Edition. J. Phys. Chem. Ref. Data. Monograph 9. 1998. 1-1951.
