Simulation of nanoparticle deposition from plasmas on solid surface

Abstract

In this paper a computer simulation of depositing nanoparticles from rarefied plasma on a solid substrate, which is at a floating potential, is carried out. In our model, we used the equation of cold hydrodynamics for ions, the equilibrium distribution of Boltzmann for electrons, and the particle in cell method for modeling nanoparticles. Dust particles are charged by electron and ion currents, which are described in accordance with the orbit-limited motion approach. Calculations were performed for various radii of nanoparticles, their concentrations and directed velocities in the unperturbed plasma. The results of the simulation show that, at a sufficiently large size of nanoparticles in the area of the sheath, a dust cloud, whose position changes in time, is formed. This leads to the formation of a minimum of the potential of the electric field and to the change in the structure of the sheath. The modification of the sheath by nanoparticles results in reflection and oscillation of the particles, which causes not stationary flow of nanoparticles onto the substrate.

Проводиться комп'ютерне моделювання осадження наночастинок з розрідженої плазми на тверду підкладку, яка знаходиться при плаваючому потенціалі. У нашій моделі ми використовували рівняння холодної гідродинаміки для іонів, рівноважний розподіл Больцмана для електронів та метод частинок у комірках для моделювання пилової компоненти. Пилові частинки заряджаються електронним та іонним струмами, які описуються в наближенні обмеженого орбітального руху. Розрахунки проводилися для різних радіусів наночастинок, їх концентрацій та направлених швидкостей в незбуреній плазмі. Результати моделювання показують, що при досить великих розмірах наночастинок в області приелектродного шару утворюється згусток пилу, положення якого змінюється в часі. Це призводить до утворення мінімуму потенціалу електричного поля і до зміни структури приелектродного шару. Модифікація приелектродного шару наночастинками призводить до відбиття і коливань частинок, що спричиняє нестаціонарність їх потоку на підкладку.

Проводится компьютерное моделирование осаждения наночастиц с разреженной плазмы на твердую подложку, которая находится при плавающем потенциале. В нашей модели мы использовали уравнения холодной гидродинамики для ионов, равновесное распределение Больцмана для электронов и метод частиц в ячейках для моделирования пылевой компоненты. Пылевые частицы заряжаются электронным и ионным токами, которые описываются в приближении ограниченного орбитального движения. Расчеты проводились для различных радиусов наночастиц, их концентраций и направленных скоростей в невозмущенной плазме. Результаты моделирования показывают, что при достаточно больших размерах наночастиц в области приэлектродного слоя образуется сгусток пыли, положение которого изменяется во времени. Это приводит к образованию минимума потенциала электрического поля и к изменению структуры приэлектродного слоя. Модификация приэлектродного слоя наночастицами приводит к отражению и колебаниям частиц, влечет за собой нестационарность их потока на подложку.