Dusty Plasma : Vorming van C

Dusty Plasma : Vorming van C-nanoclusters
Sammy De Souter
Abstract
Een MD simulatie werd uitgevoerd om te onderzoeken hoe nanoclusters gevormd worden in
een acetyleen plasma en hoe dit varieert in functie van de druk. Dit soort experimenten is
interessant omdat het niet altijd experimenteel mogelijk is om slechts één parameter te laten
variëren. De reactiepaden zijn niet in detail gevonden maar we zien een groei van clusters die
algemeen experimenteel waargenomen worden. Verder onderzoek en optimalisatie van de
code zou ons een dieper inzicht kunnen geven over de clustervorming in dusty plasma’s.
Inleiding
Plasma’s:
Een plasma wordt aanzien als de vierde aggregatietoestand, het is een partieel geïoniseerd gas
waarin vele soorten deeltjes aanwezig zijn zoals neutrale en geladen deeltjes alsook vrije
elektronen en reactieve deeltjes zoals radicalen. Dit alles maakt het een zeer complex systeem.
Door geëxciteerde deeltjes die terugvallen worden er fotonen uitgezonden waardoor het
plasma meestal een kleur uitstraalt. Plasma’s komen ook zeer veel voor in de natuur, 99% van
het universum bestaat uit een plasma.
De zon is een voorbeeld van een natuurlijk plasma, het is een hete bol die vooral bestaat uit
geïoniseerd gas, dus een plasma. Ook de corona van de zon, die goed zichtbaar is bij een
zonsverduistering, is een plasma die een temperatuur bedraagt van enkele miljoenen °C en
wordt samengehouden door het magnetisch veld van de zon.
Een ander voorbeeld van een natuurlijk plasma is de Aurora Borealis ofwel het noorderlicht dat
zichtbaar is nabij de noordpool, en het equivalente zuiderlicht of Aurora Australis. Door
botsingen van deeltjes van de aarde in de magnetosfeer en deeltjes die afkomstig zijn van de
zon worden de deeltjes geëxciteerd en geïoniseerd waardoor er een plasma onstaat en een
groene gloed zichtbaar wordt.
Een plasma dat op aarde voorkomt is bliksem, door een groot potentiaal verschil tussen de
wolken en de aarde ontstaat een elektrische ontlading waardoor een stroom van elektronen
ontstaat die deeltjes in de lucht exciteren, als deze terugvallen zal het zichtbaar licht uitzenden
dat de bliksemflits wordt genoemd.
Natuurlijk zijn er ook plasma’s die door de mens kunnen opgewekt worden, die voor
technologische en industriële doeleinden gebruikt worden. Er zijn een aantal indelingen van
soorten plasma’s zoals hoge en lage temperatuur plasma’s. Een voorbeeld van een hoge
temperatuur plasma is de fusie-plasma die wordt gebruikt om kernen te fuseren en zo energie
op te wekken. Dit gebeurt bij temperaturen van miljoenen graden Celsius. Lage temperatuur
plasma’s zijn relatief bij lage temperatuur die nog wel enkele duizenden graden kunnen zijn,
maar vergeleken met het fusie-plasma is het relatief lage temperatuur.
Enkele andere voorbeelden zijn ‘glow discharge’ waarbij een potentiaal veld wordt aangelegd
tussen twee elektroden die in een gas bij lage druk de deeltjes kunnen ioniseren. ‘Dielectric
Barrier Discharge’ of DBD gaat ongeveer volgens het zelfde principe maar met een diëlectricum
tussen de elektroden. Er zijn nog veel manieren om plasma’s te creëren die hier niet genoemd
worden. Ook maakt men een verschil tussen LTE en niet-LTE (lokaal thermisch evenwicht). Men
drukt dan meestal ook de energie van de deeltjes uit in temperatuur aangezien deze ook
gerelateerd is aan de energie. Als alle deeltjes eenzelfde temperatuur hebben noemt men dit
een LTE plasma.
‘Dusty plasma’ is nog een complexer systeem waarin micro-en nanometer deeltjes aanwezig
zijn die in het plasma gesuspendeerd zijn. Deze kunnen dan ook geladen worden en mee een
rol spelen in het plasma, of ze kunnen coaguleren en neerslaan als stof. Dit fenomeen vindt
men in industriële plasma’s en plasma’s in de ruimte.
Dit stof dat aanwezig is in plasma’s kan dan ook nadelig zijn voor bepaalde processen zoals bij
microëlektronica waar het stof het oppervlak contamineert. Maar het blijkt dat dit niet altijd
een nadelig effect heeft. De aanwezigheid van nanokristallijne silicium deeltjes in een amorf
silicium laag verhoogt de efficiëntie en levensduur bij zonnecellen [1,2].
Moleculaire Dynamica (MD) simulatie:
Een simulatie techniek die veel gebruikt wordt voor het modelleren voor depositie van dunne
filmen is de moleculaire dynamica simulaties. Hier worden de atomen gevolgt in de tijd door de
bewegingsvergelijkingen van Newton op de lossen. De interactie tussen de atomen worden
beschreven via een potentiaal. Hierdoor is het mogelijk om een zeer groot aantal atomen te
simuleren in een redelijke rekentijd.
Het canonisch ensemble zorgt ervoor dat het aantal moleculen, volume en temperatuur
behouden blijven. De temperatuur wordt gemiddeld constant gehouden door warmtebaden
(wiskundige functies). De potentiaal die in dit onderzoek gebruikt is de Brenner potentiaal (1)
die gebruikt wordt voor simulaties met koolstof atomen.
_
E  VR  bij VA
j i
i
(1)
_
bij  f (lokalebindingsconfiguratie)
De interactie tussen de atomen wordt bepaald door een repulsie en een attractie term. De
invloed van naburige atomen wordt beschreven via parameters.
Resultaten en discussie
Drukafhankelijkheid
Het doel om de drukafhankelijkheid te bepalen voor de clustervormingen is niet mogelijk
geweest door de lange simulatietijd bij lage drukken. (figuur 1)
Tijdsverloop
160
7 ns
# reactieve bostingen
140
7 ns
120
100
13 ns
0.001 atm
80
0.01 atm
60
0.1 atm
40
1 atm
21 ns
28 ns
24 ns
20
0
0
2
4
6
8
10
12
14
10 atm
16
Dagen
Figuur 1: Tijdsverloop van de rekentijd voor de simulatie voor verschillende drukken. De simulatietijd
is weergegeven rechts van de curve.
Hierdoor hebben we enkel kunnen werken met de data verkregen bij een druk van 10 atm en 1
atm. De simulatietijd is ook maar enkele nanoseconden (7 ns voor 10 atm en 13 ns voor 1 atm).
We merken wel dat eerst een snelle stijging is en dan een minder steil lineair verloop.
Ionpool
Uitgaande van de concentratieverdeling van
radicalen in een capacitief gekoppeld RF
acetylene plasma [3] (zie figuur 2) hebben we
onze simulatie radicaal verdeling opgesteld.
Frequentie
Evolutie van de initiële deeltjes
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
Als we figuur 3 bekijken voor zowel 1 atm als
voor 10 atm merken we dan het aantal
radicaal deeltjes voor H snel afnemen tot nul.
Dit verklaard de het groot aantal reactieve
botsingen in het begin van de simulatie, en als Figuur 2: De verdeling van radicalen die gebruikt
alle H radicalen zo goed als weggereageerd is in de simulatie
zijn zal het aantal reactieve bostingen per tijd
verminderen. De fluctuaties kan door twee factoren zijn. Eenderzijds zal de simulatie telkens
een nieuw radicaal introduceren als er een reactieve botsing is gebeurd zodat het totaal aantal
deeltjes steeds op 100 wordt gehouden. Welk radicaal er terug wordt ingebracht wordt uit de
radicaal verdeling gehaald. Anderzijds kan een andere botsing terug een deeltje vrijgeven dat
hetzelfde is als een initieel deeltje.
aantal deeltjes
Evolutie initiële deeltjes voor 1atm
40
H
20
C2H3
C4H3
0
Figuur 3: Evolutie van de initiële
deeltjes in functie van de tijd voor 1
atm en voor 10 atm
C6H3
Tijd
Evolutie initiële deeltjes voor 10atm
aantal deeltjes
50
40
H
30
C2H3
20
C4H3
10
C6H3
0
Tijd
Massaverdeling na 50 reactieve botsingen:
Gaande uit figuur 4 merken we dat er een soortgelijke verdeling is voor zowel 1 als 10 atm
(normaal zouden de lagere drukken mee vergeleken moeten worden maar door tijdsgebrek
heeft de simulatie geen 50 reactieve botsingen kunnen berekenen voor de lagere drukken).
Daarom kunnen we geen conclusie halen dat de druk een rol speelt op de grootte van de
gevormde clusters. De grotere clusters die gevormd werden bij 10 atm kunnen dus evengoed
toeval zijn.
30
25
aantal
20
15
1 atm
10 atm
10
5
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240
250
260
270
280
290
300
310
0
Molaire Massa (units)
Figuur 4: Massaverdeling voor 1 atm en 10 atm na 50 reactieve botsingen
Clustervorming na bepaalde tijden bij 10 atm:
Als we de massaverdeling bekijken voor onze simulatie bij 10 atm (omdat we hier de meeste
data voor hebben) merken we dat de clusters groeien (figuur 5). Wat zeer interessant is om op
te merken is het feit dat de meest gevormde cluster acetyleen is, wat wil zeggen dat de
radicalen die zich bevinden in een acetyleen plasma terug in acetyleen worden omgezet. Tot
grote spijt heeft de data output ons niet toegelaten om specifieke reactiepaden van
clustervorming te onderzoeken. Daardoor weten we nog niet juist hoe die clusters gevormd
worden, of hoe deze terug uiteen kunnen vallen.
Initieel
Aantal
60
40
20
0
H
C2H3
C4H3
Aantal
Na 40 clustervormingen
25
30
25
20
15
10
5
0
Na 80 clustervormingen
Aantal
20
15
10
5
0
Aantal
Na 120 clustervormingen
35
30
25
20
15
10
5
0
Figuur 5: Clusterverdeling bij verschillende tijdstippen.
C6H3
Enkele Clusters in detail:
Als we enkele grote clusters bekijken (figuur 6) zien we dat het vrij complexe systemen zijn
waaronder veel ringstructuren gevormd worden en sommige delen geconjugeerd zijn. Ze
hebben een sferische vorm dus niet lineair vertakte ketens.
Figuur 6:
Linksboven: C19H19
Rechtsboven: C28H24
Linksonder: C31H22
Rechtsonder: C38H29
Omdat de simulatie niet voltooid is weten we niet tot hoe groot deze clusters worden. Ook
hebben we niet kunnen achterhalen hoe deze structuren tot stand komen, of hoe de
ringstructuren gevormd worden omdat de data output hiervoor niet bruikbaar was. Wel is
experimenteel bepaald dat er clusters worden gevormd die dan coaguleren en zo neerslaan als
stof in het plasma [4]. Dit proces duurt een 5 à 10 seconden.
Conclusie
Er werd een simulatie opgesteld die niet experimenteel mogelijk is omdat in een plasma veel
meer soorten deeltjes aanwezig zijn dan radicalen. Toch is dit computer experiment zeer
interessant om plasma’s beter te kunnen begrijpen. Het is vrij eenvoudig om via een
computersimulatie slechts één parameter (bv. druk, temperatuur, …) te laten variëren wat
experimenteel niet altijd mogelijk is. De radicalen hebben we in verhouding gebruikt hoe ze
voorkomen in een ccRF acetyleen plasma. We merken inderdaad de groei op van clusters
waarvan het reactiepad niet is achterhaald. Een optimalisatie van de code voor dit experiment
zou ons waarschijnlijk meer informatie kunnen geven hoe de clusters gevormd worden. Het is
wel algemeen experimenteel vastgesteld dat er sferische clusters met ringstructuren gevormd
worden wat dus overeenkomt met de computersimulatie.
Als laatste was het ook zeer interessant dat er terug acetyleen wordt gevormd uit de radicalen
van een ccRF acetyleen plasma.
Dit is de kracht van een computersimulatie waardoor we een beter inzicht kunnen krijgen over
de radicalen in hun plasma-omgeving en verder ook over plasma’s zelf en hun toepassingen.
Experimenteel
De simulatie werd via moleculaire dynamica berekend. 100 radicalen met de verhouding uit het
ccRF acetyleen plasma werden gebruikt om te bestuderen hoe deze reageren met elkaar. De
temperatuur werd op 400 K gehouden via een Andersen warmtebad en de simulaties
uitgevoerd bij verschillende drukken: 0.001 atm, 0.01 atm, 0.1 atm, 1 atm, 10 atm. De
simulaties werden berekend door CalcUA (supercomputer universiteit Antwerpen).
Referenties
[1] P. Roca i Cabarrocas, A. Fontcuberta, Y. Poissant, Thin Solid Films 403-404, 39 (2002)
[2] Y. Poissant, P. Chatterjee, P. Roca I Cabarrocas, J. Appl. Phys. 94, 7305 (2003)
[3] K. De Bleecker, Doctoraatsthesis p146, 2006
[4]K. De Bleecker, Doctoraatsthesis p24-27, 2006