分子动力学模拟不同入射能量的CH与碳氢薄膜的相互作用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)贵州大学等离子体与材料表面作用研究所 作者:秦尤敏

  本文使用分子动力学方法模拟低能CH 与碳氢薄膜的相互作用, 以探讨在核聚变过程中CH 的再沉积行为及对面向等离子体材料性质变化的影响。选择的入射能量分别为0.3, 1, 5, 10 eV。模拟结果表明随着入射能量的增加C 原子与H 原子的吸附率增加, 且在入射能量大于CH 离解能的情况下, 同一能量下H 原子的吸附率小于C 原子的吸附率。随着入射能量的增加, 薄膜的厚度增加, 薄膜中含有Csp2的范围变宽, 并且表面逐渐转变为Csp2表面。薄膜中的C 主要以Csp3形式存在,其次是Csp2, 几乎不含Csp1。通过统计薄膜中的CHx( x 为1~ 4) 发现CH 占优势, 其次是CH2 , 而CH4 的量非常少。

  在托克马克核聚变装置运行期间, 作为面向等离子体材料的石墨将受到从等离子体约束区逃逸出来的H 离子和中性原子持续轰击, 将产生以下效应: 1、 在第一壁的表面形成一层碳氢薄膜;2、 壁材的
刻蚀产物CxHy 回到等离子体约束区被离化而获得更大的能量重新沉积在第一壁材上使碳氢薄膜得到了生长。这些效应产生的结果将使石墨材料的机械和热学性质的衰退, 并且降低等离子体的温度以及纯度从而影响等离子体的维持。因此, 研究CHx 的再沉积行为和碳氢薄膜的生长有助于全面了解等离子体与壁材料表面的相互作用, 促进核聚变装置中壁材料的发展 。众所周知, 在等离子体与固体
材料表面相互作用的实际过程中, 等离子体中含有各种各样的离子和中性基团, 以致于通过实验手段难以判断每一种粒子在作用过程中所充当的角色。这使得到目前为止等离子体与壁材料的相互作用机制仍然不明朗, 阻碍了核聚变的发展。

  分子动力学( MD) 方法是一种能克服实验上的困难并从原子量级上模拟等离子体与固体材料相互作用的有力工具。Atsushi Ito 与Hiroaki Nakamu􀀁ra 模拟了石墨在H 及H 的同位素D( 氘) 和T( 氚) 的作用下的溅射情况。结果显示随入射能量的增加,由D 和T 引起的表面损伤速率高于H 引起的表面损伤速度。当溅射达到稳定态时, C 原子的溅射率随能量的增加而增加。他们的研究结果还表明入射粒子的类型对C 原子的溅射率没有太大的影响。Salonen 和Nordlund 等研究了H 与非晶SiC 的相互作用。结果显示在能量为30 eV 的条件下, 当Si 的掺杂量为10%时, Si 原子几乎没有发生溅射, C 原子的化学溅射量最小, 比纯石墨结构的C 原子的溅射量小1.5 倍。这表明往C 材料中掺杂适量的Si 能延长面向等离子体材料的使用寿命, 进而降低了等离子体约束区的杂质含量。Trskelin 和Salonen 等使用分子动力学方法模拟了入射角度和入射能量对CH3 在C 表面吸附的影响。结果表明当入射角度从0度增加到67.5度!时, CH3 的吸附截面随入射角度的增加而降低, 吸附机率随入射能量的增加而增加。这表明粒子的入射角度对作用过程有一定的影响。

  近年来, 对石墨材料作为壁材料的研究主要集中于对H, D 和T 粒子与石墨、掺杂了Si 的C 材料和非晶碳氢表面的相互作用以及碳氢原子团( CxHy )与非晶碳表面的相互作用的研究, 较少有关CHx 与非晶碳氢表面作用的研究。因此本文将使用分子动力学方法模拟低能CH 原子团与碳氢薄膜的相互作用, 以获得CH 与碳氢薄膜作用时发生的反应和碳氢薄膜在CH 的作用下所发生的变化,从而进一步全面了解等离子体与材料表面相互作用机制和CH 的再沉积行为以及薄膜性质的变化。

3、结论

  本文使用分子动力学方法模拟了低能CH 与碳氢薄膜的相互作用, 通过分析和讨论得出以下结论:

  (1) C 原子和H 原子的吸附率随入射能量的增加而增加, 且在同一能量下H 原子的吸附率小于C原子的吸附率;

  (2) 随入射能量的增加, 薄膜的厚度增加, 并且薄膜的近表面区域的C 原子的密度大于H 原子的密度;

  (3) 当入射能量为5, 10 eV 时, 薄膜表面的C 形式主要是Csp 2。在选择的能量下薄膜中的C 主要以Csp 3 形式存在, 其次是Csp 2;

  (4) 薄膜中含有的CHx ( x 为1~ 4) 为CH 占优势。

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