分子動(dòng)力學(xué)模擬不同入射能量的CH與碳?xì)浔∧さ南嗷プ饔?/h1>
2011-04-29 秦尤敏 貴州大學(xué)等離子體與材料表面作用研究所
本文使用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬低能CH 與碳?xì)浔∧さ南嗷プ饔? 以探討在核聚變過程中CH 的再沉積行為及對(duì)面向等離子體材料性質(zhì)變化的影響。選擇的入射能量分別為0.3, 1, 5, 10 eV。模擬結(jié)果表明隨著入射能量的增加C 原子與H 原子的吸附率增加, 且在入射能量大于CH 離解能的情況下, 同一能量下H 原子的吸附率小于C 原子的吸附率。隨著入射能量的增加, 薄膜的厚度增加, 薄膜中含有Csp2的范圍變寬, 并且表面逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镃sp2表面。薄膜中的C 主要以Csp3形式存在,其次是Csp2, 幾乎不含Csp1。通過統(tǒng)計(jì)薄膜中的CHx( x 為1~ 4) 發(fā)現(xiàn)CH 占優(yōu)勢(shì), 其次是CH2 , 而CH4 的量非常少。
在托克馬克核聚變裝置運(yùn)行期間, 作為面向等離子體材料的石墨將受到從等離子體約束區(qū)逃逸出來的H 離子和中性原子持續(xù)轟擊, 將產(chǎn)生以下效應(yīng): 1、 在第一壁的表面形成一層碳?xì)浔∧?2、 壁材的
刻蝕產(chǎn)物CxHy 回到等離子體約束區(qū)被離化而獲得更大的能量重新沉積在第一壁材上使碳?xì)浔∧さ玫搅松L(zhǎng)。這些效應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)果將使石墨材料的機(jī)械和熱學(xué)性質(zhì)的衰退, 并且降低等離子體的溫度以及純度從而影響等離子體的維持。因此, 研究CHx 的再沉積行為和碳?xì)浔∧さ纳L(zhǎng)有助于全面了解等離子體與壁材料表面的相互作用, 促進(jìn)核聚變裝置中壁材料的發(fā)展 。眾所周知, 在等離子體與固體
材料表面相互作用的實(shí)際過程中, 等離子體中含有各種各樣的離子和中性基團(tuán), 以致于通過實(shí)驗(yàn)手段難以判斷每一種粒子在作用過程中所充當(dāng)?shù)慕巧�。這使得到目前為止等離子體與壁材料的相互作用機(jī)制仍然不明朗, 阻礙了核聚變的發(fā)展。
分子動(dòng)力學(xué)( MD) 方法是一種能克服實(shí)驗(yàn)上的困難并從原子量級(jí)上模擬等離子體與固體材料相互作用的有力工具。Atsushi Ito 與Hiroaki Nakamura 模擬了石墨在H 及H 的同位素D( 氘) 和T( 氚) 的作用下的濺射情況。結(jié)果顯示隨入射能量的增加,由D 和T 引起的表面損傷速率高于H 引起的表面損傷速度。當(dāng)濺射達(dá)到穩(wěn)定態(tài)時(shí), C 原子的濺射率隨能量的增加而增加。他們的研究結(jié)果還表明入射粒子的類型對(duì)C 原子的濺射率沒有太大的影響。Salonen 和Nordlund 等研究了H 與非晶SiC 的相互作用。結(jié)果顯示在能量為30 eV 的條件下, 當(dāng)Si 的摻雜量為10%時(shí), Si 原子幾乎沒有發(fā)生濺射, C 原子的化學(xué)濺射量最小, 比純石墨結(jié)構(gòu)的C 原子的濺射量小1.5 倍。這表明往C 材料中摻雜適量的Si 能延長(zhǎng)面向等離子體材料的使用壽命, 進(jìn)而降低了等離子體約束區(qū)的雜質(zhì)含量。Trskelin 和Salonen 等使用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了入射角度和入射能量對(duì)CH3 在C 表面吸附的影響。結(jié)果表明當(dāng)入射角度從0度增加到67.5度!時(shí), CH3 的吸附截面隨入射角度的增加而降低, 吸附機(jī)率隨入射能量的增加而增加。這表明粒子的入射角度對(duì)作用過程有一定的影響。
近年來, 對(duì)石墨材料作為壁材料的研究主要集中于對(duì)H, D 和T 粒子與石墨、摻雜了Si 的C 材料和非晶碳?xì)浔砻娴南嗷プ饔靡约疤細(xì)湓訄F(tuán)( CxHy )與非晶碳表面的相互作用的研究, 較少有關(guān)CHx 與非晶碳?xì)浔砻孀饔玫难芯�。因此本文將使用分子�?dòng)力學(xué)方法模擬低能CH 原子團(tuán)與碳?xì)浔∧さ南嗷プ饔? 以獲得CH 與碳?xì)浔∧ぷ饔脮r(shí)發(fā)生的反應(yīng)和碳?xì)浔∧ぴ贑H 的作用下所發(fā)生的變化,從而進(jìn)一步全面了解等離子體與材料表面相互作用機(jī)制和CH 的再沉積行為以及薄膜性質(zhì)的變化。
3、結(jié)論
本文使用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了低能CH 與碳?xì)浔∧さ南嗷プ饔? 通過分析和討論得出以下結(jié)論:
(1) C 原子和H 原子的吸附率隨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) 隨入射能量的增加, 薄膜的厚度增加, 并且薄膜的近表面區(qū)域的C 原子的密度大于H 原子的密度;
(3) 當(dāng)入射能量為5, 10 eV 時(shí), 薄膜表面的C 形式主要是Csp 2。在選擇的能量下薄膜中的C 主要以Csp 3 形式存在, 其次是Csp 2;
(4) 薄膜中含有的CHx ( x 為1~ 4) 為CH 占優(yōu)勢(shì)。
本文使用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬低能CH 與碳?xì)浔∧さ南嗷プ饔? 以探討在核聚變過程中CH 的再沉積行為及對(duì)面向等離子體材料性質(zhì)變化的影響。選擇的入射能量分別為0.3, 1, 5, 10 eV。模擬結(jié)果表明隨著入射能量的增加C 原子與H 原子的吸附率增加, 且在入射能量大于CH 離解能的情況下, 同一能量下H 原子的吸附率小于C 原子的吸附率。隨著入射能量的增加, 薄膜的厚度增加, 薄膜中含有Csp2的范圍變寬, 并且表面逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镃sp2表面。薄膜中的C 主要以Csp3形式存在,其次是Csp2, 幾乎不含Csp1。通過統(tǒng)計(jì)薄膜中的CHx( x 為1~ 4) 發(fā)現(xiàn)CH 占優(yōu)勢(shì), 其次是CH2 , 而CH4 的量非常少。
在托克馬克核聚變裝置運(yùn)行期間, 作為面向等離子體材料的石墨將受到從等離子體約束區(qū)逃逸出來的H 離子和中性原子持續(xù)轟擊, 將產(chǎn)生以下效應(yīng): 1、 在第一壁的表面形成一層碳?xì)浔∧?2、 壁材的
刻蝕產(chǎn)物CxHy 回到等離子體約束區(qū)被離化而獲得更大的能量重新沉積在第一壁材上使碳?xì)浔∧さ玫搅松L(zhǎng)。這些效應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)果將使石墨材料的機(jī)械和熱學(xué)性質(zhì)的衰退, 并且降低等離子體的溫度以及純度從而影響等離子體的維持。因此, 研究CHx 的再沉積行為和碳?xì)浔∧さ纳L(zhǎng)有助于全面了解等離子體與壁材料表面的相互作用, 促進(jìn)核聚變裝置中壁材料的發(fā)展 。眾所周知, 在等離子體與固體
材料表面相互作用的實(shí)際過程中, 等離子體中含有各種各樣的離子和中性基團(tuán), 以致于通過實(shí)驗(yàn)手段難以判斷每一種粒子在作用過程中所充當(dāng)?shù)慕巧�。這使得到目前為止等離子體與壁材料的相互作用機(jī)制仍然不明朗, 阻礙了核聚變的發(fā)展。
分子動(dòng)力學(xué)( MD) 方法是一種能克服實(shí)驗(yàn)上的困難并從原子量級(jí)上模擬等離子體與固體材料相互作用的有力工具。Atsushi Ito 與Hiroaki Nakamura 模擬了石墨在H 及H 的同位素D( 氘) 和T( 氚) 的作用下的濺射情況。結(jié)果顯示隨入射能量的增加,由D 和T 引起的表面損傷速率高于H 引起的表面損傷速度。當(dāng)濺射達(dá)到穩(wěn)定態(tài)時(shí), C 原子的濺射率隨能量的增加而增加。他們的研究結(jié)果還表明入射粒子的類型對(duì)C 原子的濺射率沒有太大的影響。Salonen 和Nordlund 等研究了H 與非晶SiC 的相互作用。結(jié)果顯示在能量為30 eV 的條件下, 當(dāng)Si 的摻雜量為10%時(shí), Si 原子幾乎沒有發(fā)生濺射, C 原子的化學(xué)濺射量最小, 比純石墨結(jié)構(gòu)的C 原子的濺射量小1.5 倍。這表明往C 材料中摻雜適量的Si 能延長(zhǎng)面向等離子體材料的使用壽命, 進(jìn)而降低了等離子體約束區(qū)的雜質(zhì)含量。Trskelin 和Salonen 等使用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了入射角度和入射能量對(duì)CH3 在C 表面吸附的影響。結(jié)果表明當(dāng)入射角度從0度增加到67.5度!時(shí), CH3 的吸附截面隨入射角度的增加而降低, 吸附機(jī)率隨入射能量的增加而增加。這表明粒子的入射角度對(duì)作用過程有一定的影響。
近年來, 對(duì)石墨材料作為壁材料的研究主要集中于對(duì)H, D 和T 粒子與石墨、摻雜了Si 的C 材料和非晶碳?xì)浔砻娴南嗷プ饔靡约疤細(xì)湓訄F(tuán)( CxHy )與非晶碳表面的相互作用的研究, 較少有關(guān)CHx 與非晶碳?xì)浔砻孀饔玫难芯�。因此本文將使用分子�?dòng)力學(xué)方法模擬低能CH 原子團(tuán)與碳?xì)浔∧さ南嗷プ饔? 以獲得CH 與碳?xì)浔∧ぷ饔脮r(shí)發(fā)生的反應(yīng)和碳?xì)浔∧ぴ贑H 的作用下所發(fā)生的變化,從而進(jìn)一步全面了解等離子體與材料表面相互作用機(jī)制和CH 的再沉積行為以及薄膜性質(zhì)的變化。
3、結(jié)論
本文使用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了低能CH 與碳?xì)浔∧さ南嗷プ饔? 通過分析和討論得出以下結(jié)論:
(1) C 原子和H 原子的吸附率隨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) 隨入射能量的增加, 薄膜的厚度增加, 并且薄膜的近表面區(qū)域的C 原子的密度大于H 原子的密度;
(3) 當(dāng)入射能量為5, 10 eV 時(shí), 薄膜表面的C 形式主要是Csp 2。在選擇的能量下薄膜中的C 主要以Csp 3 形式存在, 其次是Csp 2;
(4) 薄膜中含有的CHx ( x 為1~ 4) 為CH 占優(yōu)勢(shì)。
