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容性耦合等离子体源具备结构、造价低、能产生大面积均匀等离子体的优点, 被广泛应用于半导体芯片制造的刻蚀、沉积等工艺中. 为了满足先进生产工艺的需求, 人们常常需要对等离子体源实施流体模拟, 从而对等离子体的密度、均匀性等重要参数进行优化. 本文采用自主研发的容性耦合等离子体快速模拟程序对双频容性耦合Ar/CF4等离子体源进行了三维流体模拟, 以对程序在该问题中的有效性进行初步验证, 并研究气压、高低频电压、低频频率、气体组分比例等放电参数对等离子体产生的影响. 模拟结果显示, 该程序具有极高的模拟速度; 随着低频电压的增加, 等离子体密度先近似不变, 后显著增大, 而等离子体的均匀性先上升, 后显著下降, 在此过程中低频电源带来的γ模式加热逐渐增加, 直到取代高频电源的α模式加热成为主导; 随着低频频率的增加, 等离子体密度先近似不变, 后略微增大, 而等离子体的均匀性变化不大, 这是因为低频电源的γ模式加热与频率无关, 而α模式加热远远低于高频电源; 随着高频电压的增加, 等离子体密度显著增大, 而等离子体的均匀性先上升, 后显著下降, 在此过程中高频电源的α模式加热显著增强; 随着气压的增加, 等离子体密度明显增大, 同时等离子体的均匀性也明显上升, 原因是粒子与背景气体间碰撞更为充分; 随着背景气体中Ar比例的增加, 等离子体密度变化较小, Ar相关粒子的密度总体呈上升趋势, CF4相关粒子的密度总体呈下降趋势, 但部分粒子的密度变化存在非单调的情况, 这体现了部分组分的电离、解离间具有相互促进的作用.
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微牛级会切霍尔推力器是一种微波辅助电离调控的电推进装置, 作为无拖曳控制系统的执行机构, 通过宽范围连续调节推力来保障控制精度与稳定性. 但调节过程中会发生模式转换导致阳极电流突变, 降低控制精度和稳定性. 因此, 有必要对模式转换发生的规律进行研究. 本文通过探针诊断等方式, 研究了微波模式转换前后推力器内部等离子体参数与放电特性的变化规律. 实验结果显示, 模式转换前, 等离子体亮区主要集中于阳极前端1—3 mm处的电子回旋共振区域; 转换后, 亮区向上游移动, 近阳极区等离子体密度超过截止密度, 沿轴向急剧下降. 等离子体密度变化改变基本波的传输特性是电子加热方式发生改变的根本原因. 等离子体密度上升至截止密度时, 驱动电离的R波与O波迅速衰减或被反射. 此时R波无法到达共振面, 主导的电子回旋共振(ECR)电离失效. R波-O波主导电离变为O波主导电离, 电子加热机制从体加热向表面波加热过渡. 本文研究将为后续优化推力器微波传输、降低模式转换发生的阈值提供依据.
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氢化或质子化通过引入离子功能调控自由度从而调控关联氧化物材料体系中多重自由度间的关联耦合效应, 突破固溶度极限的限制, 协同触发关联氧化物发生电子相变与磁转变, 为探索材料体系中的新奇物态提供了新途径, 在人工智能、关联电子器件及能量转换等领域展现出广阔的应用前景. 本文利用激光分子束外延法制备出亚稳态VO2(B)/La0.67Sr0.33MnO3(LSMO)异质结, 基于氢离子演化方法, 借助多功能氧化物异质结中关联电子与铁磁序间的关联、耦合与重构, 发现体系中弱铁磁绝缘相的新物态并涌现出丰富的结构演变与电子态重构等拓扑化学转变. 氢化触发VO2(B)/LSMO异质结体系的可逆磁电相变归因于氢化相关电子掺杂占据Mn元素eg (↑) 轨道而引发的电子局域化效应以及离子掺杂抑制Mn3+-Mn4+间的双交换相互作用. 本工作为探索关联氧化物材料体系中的新奇物态、莫特物理及其功能特性的器件化提供了可行的途径.
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磁制冷技术具有绿色环保和节能高效等优点, 被认为是有望取代气体压缩制冷技术的新一代制冷技术. 但目前磁制冷材料往往相变温区过窄(≤10 K), 需多个成分的材料叠加才能满足实际的制冷温跨. 本研究选择典型的La(Fe, Si)13基磁制冷材料, 创新采用梯度激光粉末床熔融技术, 3D打印出水平成分梯度的La0.70Ce0.30Fe11.65–xMnxSi1.35 (Mn含量从0—0.64连续变化)合金. 系统表征其显微结构、磁学性能及磁热效应可知, 该技术可实现成分沿粉末床平面的可控梯度分布与高通量制备, 从而实现了该梯度合金居里温度从134—174 K宽温区的连续变化. 随Mn含量增加, 合金相变从弱一级相变逐渐变为二级相变, 磁熵变曲线峰型从“尖而高”变为“宽而平”, 半高宽温区扩大至83.3 K, 使得梯度合金始终保持较高的制冷能力RC (~130 J/kg, 3 T). 本研究通过梯度增材制造突破传统材料制备与性能瓶颈, 为磁制冷材料高通量制备与性能优化提供全新技术路径.
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容性耦合等离子体(CCP)的流体模拟对于理解放电物理机制非常重要, 但其高昂的计算成本制约了大范围参数化探索. 为突破该限制, 本文开发了一种深度学习代理模型, 旨在以近瞬时推理速度复现一维CCP流体模型的输出结果. 该模型精确预测了容性耦合氩等离子体流体模拟中关键等离子体参数的空间分布, 包括电子密度、电子温度及电场分布, 并将所需计算时间从数小时压缩至毫秒量级. 除加速优势外, 代理模型学习过程还揭示了根植于等离子体物理的非对称推理能力. 代理模型可从复杂的低压物理域外推至更简单的高压物理域, 反之则不可行, 表明低压状态具有更完整的物理信息. 进一步, 本文建立了一个模型推理的置信边界, 确保预测结果的物理可靠性. 本文的研究为创建高保真、超快速的流体模拟等离子体替代提供了方案.
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本文报道了一种新型米量级宽幅间接介质阻挡放电(DBD), 用于满足大尺度、形状复杂材料的处理需求. 通过模块化分级气路设计与仿真优化, 提高放电区域及被处理材料表面流场分布均匀性. 在此基础上, 以Ar作为工作气体, 以六甲基二硅烷(HMDSO)为反应媒质, 在纳秒脉冲电源激励下产生米量级宽幅等离子体. 通过电学、光谱、温度诊断方法来评估不同运行条件参数下的粒子活性、放电均匀性和稳定性, 并对环氧材料改性, 通过水接触角测量验证改性效果及其均匀性. 结果表明, 在合适的运行条件参数下, 可产生尺寸为1120 mm的宽幅均匀稳定等离子体. 增大电压幅值使放电强度和粒子活性提升, 但放电均匀性和稳定性会显著降低; 增大工作气体流速虽可同时提升粒子活性、放电均匀性和稳定性, 但提升幅度较小. 在电压幅值为12 kV、工作气体流速为10 L/min条件下处理10 min后, 环氧(EP)材料表面的水接触角从67°均匀提升至144°, 波动幅度低于6%. 本文所报道的米量级宽幅间接DBD电极可为大尺度等离子体材料改性技术工业应用提供参考和依据.
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磁控溅射沉积透明导电氧化物薄膜过程中, 理解离子动力学过程是揭示“溅射损伤”机理并发展损伤抑制策略的关键. 本研究在纯Ar气氛下, 以氧化铟锡为阴极靶材, 系统探讨辅助阳极正偏压对射频磁控放电中基底入射离子能量分布的影响. 结果表明, 入射正离子包括O+, Ar+, In+, Sn+及多种金属氧化物分子离子和双电荷离子, 其能量由溅射原子的初始逸出能与等离子体电势共同决定, 并随辅助阳极偏压的升高而增强. 负离子源于阴极溅射, 其中O–和$\rm O_2^-$负离子能量分布宽广且呈多峰结构, 与阴极电压、等离子体电势的射频振荡及离子输运的弛豫效应密切相关. 金属氧化物负离子(InO–, $\rm InO_2^-$, SnO–和$\rm SnO_2^-$)对射频鞘响应滞后, 其高能峰向阴极偏置电压收敛. 高能负离子是导致“溅射损伤”的主要原因, 施加辅助阳极正偏压能有效降低其能量, 为透明导电氧化物薄膜损伤抑制提供潜在解决方案.
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非热等离子体 (non-thermal plasma, NTP) 作为一种在接近室温条件下高效实现材料制备与改性的先进技术, 近年来在能源材料领域备受关注. 由于其电子温度高而整体气体温度低, NTP能够在避免热损伤的前提下, 通过引入空位、杂原子掺杂, 调控孔隙率和表面粗糙程度等多尺度缺陷, 显著改善电极材料的电化学性能. 等离子体-材料表面相互作用是一个复杂的体系, 涉及等离子体与材料之间的相互影响规律, 深入理解该作用机制对实现NTP精准调控材料缺陷类型、密度、空间分布至关重要. 本综述系统总结了NTP在能源材料刻蚀和掺杂领域的应用, 重点阐述了缺陷的生成及其对等离子体与材料表面相互作用的影响. 最后, 分析了NTP技术规模化应用过程中面临的主要挑战并对其未来发展进行了展望.
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大气压低温等离子体在生物医学、环境保护、纳米制造等领域具有广泛应用, 而这些应用中的核心过程通常是等离子体与水溶液的相互作用. 等离子体与水溶液的相互作用非常复杂, 既包含种类繁多的气液两相反应, 也包含相互耦合的粒子传质过程, 使得现有的实验技术难以系统地阐释内在机制, 仿真研究至关重要. 10余年来, 国内外对等离子体与水溶液相互作用的仿真研究取得了重要进展, 基本解决了传质与反应参数缺乏的问题, 从无到有建立了多种类型的仿真模型, 并积极探索基于人工智能的新型仿真方法, 显著提升了对该领域的认知水平. 本文将从参数获取、模型构建到智能算法3个方面综述近年来的仿真研究进展, 以期为国内同行和研究生提供参考.
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低温等离子体沉积与刻蚀技术在芯片制造、平板显示器和光伏等等离子体辅助制造领域中具有至关重要的作用. 而等离子体与材料之间的物理、化学相互作用机理, 是揭示工艺过程本质、优化制程参数、提升器件性能与可靠性的重要科学基础. 本工作基于流体混合模型并耦合表面形貌演化模型自洽模拟了不同放电参数下的等离子体放电特性以及沉积/刻蚀表面形貌, 并给出了一些研究实例的模拟结果与讨论. 在非晶硅薄膜沉积过程研究中发现, 等离子体放电过程所产生的电子密度径向分布不均匀, 会导致基片表面中性基团和离子通量分布乃至膜厚或膜质的不均匀. 其中, 离子能量分布还会影响薄膜中各元素的含量和成键情况, 进而影响薄膜质量和性能. 而在碳氟混合气体放电刻蚀SiO2研究中, 发现在裁剪电压波形的驱动下通过调节电极间距、谐波相位以及谐波次数, 可实现对离子与中性基团的灵活控制, 从而筛选出更优的放电参数以改善刻蚀效果. 在感性耦合氯混合气体刻蚀Si的过程中, 采用裁剪电压波形会使离子能量主要分布在高能区, 这能显著提高刻蚀效率. 综上, 通过混合模拟可以实现等离子体放电与沉积/刻蚀过程的自洽耦合, 总结离子与中性基团协同作用的本质规律, 为工艺与设备的优化提供参考.
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