CC BY
16_ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ_
Т 51 (10) ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2008
УДК 621.382:537.525
А.Н. Иванов, С.А. Смирнов, В.В. Рыбкин
ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ГАЗА НА КИНЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОНОВ В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЕ СМЕСИ Ar-Оз
(Ивановский государственный химико-технологический университет)
E-mail: rybkm@jsuct.ru
На основе решения уравнения Больцмана и измеренных приведенных напряжен-ностей электрических полей проведены расчеты функций распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) и кинетических характеристик электронов для плазмы разряда постоянного тока в смеси Ar-O2 Показано, что при заданном токе разряда и давлении увеличение содержания кислорода приводит к уменьшению концентрации электронов и экстремальной зависимости констант скоростей процессов с участием электронов.
Смеси аргона с кислородом в качестве плазмообразующего газа интересны как для технологических приложений, так и для научных целей. В частности они применяются для изменения свойств поверхности полимерных материалов [1], а также с малыми добавками металлорганических соединений - для получения наноразмерных окис-ных пленок, используемых как газовые сенсоры, которые обеспечивают поверхностную проводимость диэлектриков [2,3]. Инициирование процессов образования активных частиц в плазме происходит под действием электронного удара. Для их оптимизации необходимы сведения о ФРЭЭ, которая в условиях плазмы является неравновесной, не максвелловской. Неравновесная ФРЭЭ зависит как от приведенных напряженностей электрических полей E/N, реализующихся в плазме, так и от состава газа. Выяснению вопроса о влиянии этих параметров на вид ФРЭЭ и посвящена данная работа.
Плазма разряда постоянного тока создавалась в стеклянном цилиндрическом проточном реакторе внутренним диаметром 3 см. Диапазон давлений составлял 50-300 Па, а токов разряда -20-80 мА. Напряженность продольного электрического поля Е измерялась двухзондовым методом. Температура газа ^ отождествлялась с вращательной температурой, определяемой по распределению интенсивностей вращательных линий в Р-ветви перехода ® X3S"g (0-0) молекулы О2 с помощью монохроматора МСД типа. Полная концентрация частиц N при известной температуре и давлении рассчитывалась из уравнения со-
стояния. Плазмообразующий газ готовился смешением аргона и кислорода в специальной емкости с контролем давления компонентов (масс-спектрометр МХ 7304). При заданном составе газа и величине E/N численно решалось уравнение Больцмана в двучленном приближении разложения (ФРЭЭ) по сферическим гармоникам как описано в работе [4]. Для кислорода и аргона использовались наборы сечений столкновений электронов работ [4,5] соответственно.
Измерения показали, что при фиксированном токе и давлении рост содержания О2 в смеси газа приводит к монотонному росту E и Е/^ а при фиксированном исходном составе газа зависимости E, E/N и ^ от давления являются типичными для газовых разрядов, то есть E и ^ увеличиваются, а величина E/N падает.
Неравновесная ФРЭЭ формируется в результате баланса приобретения энергии электронами от электрического поля и потерь энергии в упругих и неупругих столкновениях. Рост E/N способствует увеличению энергии электронов, то есть действует в сторону «обогащения» высоко-энергетичной части ФРЭЭ. Транспортные сечения для Ar и O2 не отличаются существенно. Неупругие столкновения электронов с атомом Ar начинаются с энергий ~11.5 эВ, тогда как с молекулами O2 - c 0.198 эВ (возбуждение 1-го колебательного уровня). Поэтому, увеличение содержания кислорода при снижении доли аргона приводят к ухудшению возможностей набора энергии электронами от поля. Действие этих противоположных факторов приводит к тому, что некоторые
128
ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2008 том 51 вып. 10
кинетические характеристики электронов проявляют экстремальную и сильную зависимость от состава. В первую очередь это касается констант скоростей высокопороговых процессов Ki
2m
J Qtf (s)eds
где Qi, - сечение и пороговая энергия /-того неупругого процесса, /(е), т, е - ФРЭЭ, масса и заряд электрона, а е - энергия электронов в эВ.
Константы скоростей процессов, определяемых средней частью ФРЭЭ, изменяются существенно слабее (рис. 1, 2). В тоже время концентрация электронов монотонно уменьшается с ростом содержания О2 при постоянном токе разряда и давлении во всех случаях из-за увеличения скорости дрейфа электронов.
^е), эВ-3/2
1-1
0 2 4 6 8 10 12 14 16
e, эВ
Рис. 1. ФРЭЭ при давлении 200 Па и токе 80 мА. 1-5 - содержание кислорода 1,10,30,50 и 100% соответственно. Норми-
¥
ровка фрээ | f (e)4sde = 1.
0
Fig. 1. The electron energy function distributions (EEDF) at 200 Pa and discharge current of 80 mA. 1-5 - the oxygen content are 1,10,30,50 и 100%, respectively. The EEDF normalizing is
K, см3с-1
10
10"
10"
10"
иг.10 -3
n , 10 см„
e -6
0
80
100
J f (s)yisds = 1.
20 40 60 Содержание О2, %
Рис. 2. Константы скоростей процессов (1,2) и концентрация электронов (3). 1 - O2 + e^2O (3P) + e (порог 6.1 эВ), 2 - O2 + + e^O2+ + 2e (порог 12.1 эВ). Давление 200 Па, ток 80 мА.
Fig. 2. Process rate constants (1,2) and electron density (3). 1 - O2 + e^2O (3P) + e (threshold is 6.1 eV), 2 - O2 + e^O2+ + 2e (threshold is 12.1 eV). Pressure is 200 Pa, discharge current is 80 mA.
Таким образом, полученные данные показывают, что инициирование процессов в плазме смеси Ar-O2 сложным образом зависит от ее состава. Так, с точки зрения диссоциации О2 электронным ударом, можно ожидать, что концентрация атомов О^Т) при данном токе и давлении будет убывать с уменьшением содержания О2, но степень диссоциации молекул О2 будет тем больше, чем больше содержание аргона.
Авторы благодарны Министерству образования и науки РФ (грант РНП 2.2.1.1.7280).
ЛИТЕРАТУРА
1. Максимов А.И. Взаимодействие химически активной плазмы с поверхностями синтетических материалов. Энциклопедия низкотемпературной плазмы / Под ред. акад. Фортова В.Е. М.: Наука. Вводный том IV, 2000. С.393.
2. Pulpytel J., Arefi-Khonsari F., Morscheidt W. J. Phys. D: Appl. Phys. 2005. V.38. N 9. P. 1390.
3. Wolden C. Plasma Chem. Plasma Proc. 2005. V. 25. N 2. P. 169.
4. Diamy A. M. et al. Contrib. Plasma Phys. 2005. V.45. N 1. P.5.
5. Puech V., Torchin L. J. Phys. D: Appl. Phys. 1986. V.19. N 12. P. 2309.
e
Кафедра технологии приборов и материалов электронной техники
ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2008 том 51 вып. 10
129
