ВЛАСТИВОСТІ розряду У МЕТАНІ ТА У ЙОГО СУМІШАХ З ВОДНЕМ В плазмовому джерелі ГЕЛІКОННОго типу З ПЛАНАРНОЮ АНТЕНОЮ

 

В.М. Слободян¹, В.Ф. Вірко¹, К.П. Шамрай¹, І.В. Короташ², Л.С. Осипов², Д.Ю. Полоцький², Е.М. Руденко², В.Ф. Семенюк²

 

¹ Інститут ядерних досліджень НАН України, Київ

² Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, Київ

 

Системи на основі геліконного розряду є ефективними джерелами густої плазми і широко застосовуються у практиці, в тому числі, у нанотехнології. Зокрема, в роботі

[1] синтез вуглецевих наноструктур був здійснений з використанням стандартного геліконного джерела, в якому збуджуюча антена охоплює діелектричну камеру, а розряд збуджувався в метані чи його сумішах з воднем. Геліконне джерело з плоскою (планарною) збуджуючою антеною, розташованою в торці металевої розрядної камери, дозволяє ефективніше генерувати плазму і конструктивно є зручнішим для технологічних застосувань, ніж стандартне. Мета даної роботи – експериментально дослідити можливості застосування саме такої розрядної системи для створення технологічного середовища (плазма розряду в метані та в його суміші з воднем), яке забезпечує формування вуглецевих наноструктур.

Встановлено, що, на відміну від важких одноатомних інертних газів (Ar, Kr, Xe), в геліконному джерелі з плоскою антеною інтенсивний розряд як в метані так і у водні може підтримуватися лише у досить вузькому діапазоні тисків, £ 1,5 Па, а оптимум за густиною плазми досягається при 0,6-0,9 Па. Діапазон існування розряду за магнітним полем обмежений 60-80 Гс при ВЧ потужності в 1 кВт. При цьому максимальна густина плазми для метану сягає (2-5)Ч10¹¹ см^-3, а для водню в 1,5-2 рази нижче (в аргоні за аналогічних умов густина перевищує 10¹² см^-3). Температура електронів для розряду в метані становить ~ 5 еВ, у водні – ~ 8 еВ. Визначені розрядні умови та параметри плазми, в цілому, схожі з даними роботи [1], де застосовувалось стандартне геліконне джерело. Був також реалізований розряд у суміші метану з воднем у різних пропорціях та досліджені властивості такого розряду, які в загальних рисах виявилися подібними до тих, що виявлені для розрядів у метані та у водню окремо. Встановлено, що залежності густини плазми від магнітного поля для обох газів та їх суміші мають стрибкоподібний характер. Виміряні при різних магнітних полях радіальні розподіли густини плазми свідчать про те, що подібно до розряду в аргоні, для розрядів у метані, водні та їх сумішах мають місце як інтенсивний режим з пікіруваним радіальним профілем густини плазми (магнітне поле ≤ 30 Гс), так і режим з провалом профілю на осі системи (магнітне поле ≥ 50 Гс). Саме останній режим становить інтерес для практичних застосувань, оскільки забезпечує більш однорідний радіальний розподіл густини плазми. Показана спроможність ефективно впливати на інтенсивність та стабільність розряду, керувати параметрами плазми досліджуваної суміші газів, змінюючи як величину магнітного поля, так і його конфігурацію. Визначена оптимальна конфігурація магнітного поля.

Одержані результати свідчать про перспективність застосування геліконних джерел з планарною антенною для технології формування вуглецевих структур.

Робота виконана в рамках спільного проекту № 5713 Національної академії наук України та Українського науково-технологічного центру.

1. G. Sato et al. Thin Solid Films 506–507, 550 (2006).