Графеновая революция: Часть 4

Daniel Smith 02/05/2013
Share this on Facebook Share this on Twitter Share this on Google+ Share this on LinkedIn

Графен может быть получен путем термического разложения в высоком вакууме. Для разработки и оптимизации высоковакуумных систем инженеры могли бы использовать возможности численного моделирования, но, к сожалению, сегодня не так много программных комплексов способны справиться с этой задачей. Давайте поговорим о том, какое отношение вакуумные системы имеют к получению графена, а также обсудим, как и зачем их моделировать.

Препятствия для массового внедрения графена

Недавно я написал для нашего блога статью о графене и некоторых его свойствах, а также об инструментах моделирования в среде COMSOL для исследования применений этого экзотического материала. Одно из основных препятствий для выхода графена на массовый рынок — стоимость производства. Существует множество методов получения графена, например отслаивание, эпитаксиальный рост на подходящей подложке, восстановление оксида графена, пиролиз или рост из металл-углеродных расплавов.

В диссертации под названием "Рост графеновых пленок на Pt(111) методом термического разложения пропилена" автор показывает, как получить графен с помощью термического разложения в условиях высокого вакуума. Как указывает мой коллега Бьорн в своей публикации "Что такое молекулярный поток?", для моделирования и оптимизации высоковакуумных систем, особенно неизотермических, сегодня существует и доступно лишь несколько инструментов моделирования. Газы при низких давлениях нельзя моделировать с помощью обычных CFD кодов, поскольку при этих условиях средняя длина свободного пробега молекул газа становится сравнимой с масштабом длины самой системы, а значит газокинетические эффекты становятся существенными. Давление газа на поверхность в вакуумных системах зависит, в первую очередь, от источников потока молекул в зоне прямой видимости. Неизотермическая вакуумная система, описываемая в диссертации, неизбежно окажется очень дорогой в производстве, поэтому любая предварительная оптимизация поможет сэкономить в будущем. В диссертации приведены некоторые оценки потоков на поверхности и скоростей осаждения, но они не учитывают геометрию системы, расположение насосов, а также тот факт, что разные поверхности имеют разную температуру.

Скоро вы сможете моделировать системы высокого вакуума

Компания COMSOL готова объявить, что специальный продукт для моделирования высоковакуумных систем — модуль Молекулярные течения, станет доступен нашим клиентам в начале мая. Модуль Молекулярные течения позволит значительно расширить текущие возможности модуля Микрогидродинамика. Новый модуль представляет собой совокупность специальных физических интерфейсов для моделирования кинетических потоков газа. Он включает в себя интерфейсы Transitional Flow (Переходное течение) и Free Molecular Flow (Свободное молекулярное течение). Интерфейс Transitional Flow использует метод дискретных решеточных уравнений Больцмана для расчета низкоскоростных потоков газа в переходном режиме течения. Интерфейс Free Molecular Flow использует метод угловых коэффициентов для расчета потока частиц, давления и теплового потока на поверхности. Концентрация частиц может быть рассчитана в объемах, на поверхностях, ребрах и в точках, таким образом,эту величину можно использовать при анализе сопряженных физических процессов.

Зачем моделировать вакуумные системы?

Моделирование может ускорить темпы разработки продукции, а также позволит инженерам-конструкторам лучше понимать процессы, осуществляемые в вакуумных системах. Системы высокого и сверхвысокого вакуума обычно слишком дороги, поэтому создание прототипов и проведение испытаний крайне затратно. Речь не только о высокой стоимости проектирования и изготовления деталей оборудования, но и о стоимости времени, которое придется потратить на откачку и проверку наличия утечек в системе. Представьте, что за счет оптимального размещения входного отверстия можно будет использовать насос меньшего размера или меньшей мощности. Или что первый же изготовленный образец вакуумной камеры будет соответствовать всем необходимым требованиям. В этом случае экономия стала бы существенной. Модуль Молекулярные течения позволит вам испытывать и оптимизировать различные элементы конструкций, прежде чем начать воплощать задуманное в металле.

Приложения, имеющие отношение к вакуумным технологиям и производству графена

Чтобы точно смоделировать неизотермические молекулярные течения и рассчитать скорости осаждения на подложках сложной формы требуется комплексный подход к моделированию. Поскольку молекулы газа соударяются с поверхностями чаще, чем между собой, поток газа определяется столкновениями с поверхностями в системе. Для расчета молекулярного потока, давления, теплового потока и концентрации в системе требуется решить очень сложное интегральное уравнение. Рассчитанный молекулярный поток в сочетании с соответствующим дифференциальным уравнением можно использовать для определения скорости осаждения, а также толщины осажденной пленки.

Давайте рассмотрим пару примеров моделирования.

Пример 1: Вычисление толщины золотой пленки, получаемой термическим напылением

В результате нагрева до температуры 2000 К золото испаряется на подложку, закрепленную на неподвижной поверхности. Нужно рассчитать толщину пленки, осаждаемой на подложке и стенках камеры.

Evaporator Графеновая революция: Часть 4
Рассчитав молекулярный поток, мы сможем найти скорость осаждения из испаряемого материала и распределение толщины пленки на подложке.

Пример 2: Адсорбция и десорбция воды в загрузочном шлюзе вакуумной системы

Система состоит из двух камер, разделенных запорным клапаном (не показан на схеме ниже). Нижняя цилиндрическая камера служит шлюзовой камерой загрузки. Верхняя сферическая камера является высоковакуумной и не вентилируется в процессе загрузки образца. Вакуумный насос располагается напротив запорного клапана и обеспечивает постоянный расход 500 л/сек.

water adsorption Графеновая революция: Часть 4
Нестационарная адсорбция и десорбция воды в вакуумной системе при низких давлениях. Вода попадает в систему при открытии запорного клапана, отсекающего шлюзовую камеру, после чего, моделируется последующая миграция и откачка воды.

Дополнительная литература


Теги

Графен
Загрузка комментариев...

Темы публикаций


Теги