等离子体CHx刻蚀碳氢薄膜的分子动力学模拟

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受控核聚变是解决能源危机最有希望的手段之一。然而,受控核聚变的实现面临着各种各样的难题,其中面向等离子体材料的选择问题是关键问题之一。C基材料具有良好的导热性和抗热冲击性能而被作为面向等离子体材料用于核聚变装置中。在核聚变装置运行期间,C基材料在等离子体中心区逃逸出来的粒子的轰击下发生的各种反应,使材料的性质发生了改变,从而影响了材料的使用寿命,进而阻碍了受控核聚变装置的发展。为了提高材料的性能,了解等离子体与材料的相互作用是非常必要的。因此本文使用分子动力学方法分别模拟了不同入射能量、不同入射角度以及不同薄膜温度下H原子和CH与碳氢薄膜的相互作用过程,同时还分别模拟了不同H/Ar的比率和不同Ar+能量的条件下H与Ar+共同轰击碳氢薄膜的协同效应过程。  在H原子与碳氢薄膜作用过程中,随着入射能量和薄膜温度的升高,C原子和H原子的刻蚀率增加。随入射角度的增加,C原子和H原子的刻蚀率减小。在同一条件下H原子的刻蚀率大于C原子的刻蚀率。入射能量、入射角度和薄膜温度对H原子刻蚀碳氢薄膜具有一定的影响。研究还表明在低能H刻蚀碳氢薄膜的过程中,C原子的主要刻蚀方式为化学增强的物理刻蚀。  在CH与碳氢薄膜相互作用过程中,C和H原子的吸附率随入射能量的增加而增加,随入射角度和样品温度的增加而降低,亦即入射粒子的能量和角度以及薄膜的温度对CH与碳氢薄膜的相互作用具有一定的影响。研究表明CH与碳氢薄膜作用时将吸附在薄膜表面形成新的碳氢薄膜。入射粒子的能量和角度以及薄膜温度对形成的薄膜性质具有一定的影响。  在Ar+和H与碳氢薄膜的作用过程中,其刻蚀率比纯H作用碳氢薄膜的刻蚀率约大一个数量级,这说明在H等离子体与碳氢薄膜作用过程中由于有Ar+的参与使得C、H原子的刻蚀率明显增加。模拟结果显示随着等离子体中的Ar+离子比例的增加C原子和H原子的刻蚀率先增后减,随着Ar+能量的增加H原子的刻蚀率增加,C原子的刻蚀率先增后减。通过分析模拟结果可发现在Ar+量较低的时候,入射的Ar+对C原子和H原子的刻蚀的影响较大,当Ar+量较高时,入射的H量对C原子和H原子的刻蚀影响较大,即在不同的比率下,影响C原子和H原子的刻蚀率的主要因素不同。
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