磁控溅射气体凝聚团簇源及聚焦小尺寸纳米颗粒空气动力学透镜研究

发布时间：2020-03-30 07:35

【摘要】：纳米实验装置在核物理,原子分子物理,生物物理等领域有重要的应用。磁控溅射团簇源和空气动力学透镜是随着纳米技术的发展而产生的实验装置。本人是兰州大学和德国弗莱堡大学联合培养的博士研究生,在利用德国弗莱堡大学磁控溅射团簇源进行相关研究过程中,发现该装置存在一些不足。基于此,本论文进行了相关模拟研究,核心内容是磁控溅射团簇源的理论研究以及空气动力学透镜的设计与评估。主要研究的内容如下:1.利用计算流体动力学(CFD)方法,研究磁控溅射管中入射气流方向对团簇轨迹的影响。结果表明布朗运动严重干扰粒子在磁控溅射管的运动,角度为90°时,团簇的通过率最大,团簇的通过率随着粒子尺寸的增大而增大。2.利用CFD方法模拟团簇在冷凝腔的轨迹。粒子所受之力为气体的阻力和布朗力。在轴对称结构中,氦气被认定为稳定的单向流体,用此可以模拟涡流对团簇轨迹的影响。模拟结果显示在氦气中,布朗运动严重影响了直径小于50 nm的粒子的通过率,涡流增加了粒子沉积到腔内壁的概率。为此,我们完善了团簇源的结构,增加了一个缓冲区,模拟了缓冲区对团簇源的作用,结果表明,修正后的团簇源性能明显提高。3.利用CFD方法模拟喷嘴形状的作用。模拟结果显示喷嘴的形状对团簇的通过率和束流宽度影响。4.设计了一套用来聚焦直径小于10 nm的纳米粒子的空气动力学透镜。从模拟得到的粒子轨迹图,可以得出大部分微小粒子由于扩散作用沉积到了腔壁上。我们也研究了布朗运动对粒子的输出的影响。从模拟结果可以看到布朗运动干扰了纳米粒子的轨迹,从而提高了纳米粒子沉淀到腔壁的概率。我们也研究了透镜系统的结构对纳米粒子的影响。结果显示透镜系统的结构影响了束流宽度和纳米粒子的传输率。
【图文】：

团簇,生长机制,液滴,扩散机制

？邋？？？逡逑图１．１团簇的生长机制逡逑团簇生长的第二种机制是凝聚（图１．比）。凝聚被定义为两个液滴接触而导逡逑致单个液滴的形成ｔｗｓｉ。逡逑Ｍｎ＿ｍ邋＋邋Ｍｍ邋一邋Ｍｎ逦。＇８）逡逑ｎ和ｍ是团簇中的原子数目。考虑到在缓冲气体中单个团簇的运动和两个团簇的逡逑相对运动，两种凝聚机制可Ｗ由运动和扩散来区分。图１．２给出了两种机制的差逡逑异：在运动机制中，每次只有一个粒子与团簇进斤强作用，而对于扩散机制，许逡逑多粒子与团簇同时强作用。对于在氮气中的液滴铜团簇凝聚，扩散机制的临界值逡逑如下逡逑３逡逑

气体原子,团簇,机制

逦（１．１１）逡逑ｔ是时间。逡逑聚合机制（图１．１ｃ）是指基于小团簇蒸发的大团簇生长过程ｔｎｉ。这个过程发生逡逑在超饱和度可Ｗ忽略的时候ｔｎｉ。聚合过程主要的参数为临界团簇尺寸ｒｉｃｆ，或者逡逑临界团簇半径ｒ－ｅｒ。当７１＜７１？＞时，，团簇将蒸发。当ｎ＞ｒｉｃｒ时，团簇依附而增长ＵＬ逡逑Ａｉ７’ｗ。临界半径被定义为逡逑ｒｃｒ邋＝邋＾逦（１１２）逡逑Ａ为饱和度，Ａａ是一个参数，由相之间的张量ｃＴｆ、溶质原子的体积Ｋｍ、饱和溶液逡逑的浓度Ｃｗ和温度ｒ决定逡逑ａ邋＝昔ＫｍＣｍ逦（１．巧逡逑作为一种溶液，我们认为在缓冲气体中金属原子是一种蒸气，把金属铜或者逡逑银原子作为溶质。在液滴模型中ｔｗ，ｎｔｆ和ｒｔｆ之间的关系为逡逑４逡逑
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383.1;O35;TH73

【参考文献】