ГОУ ВПО Петрозаводский Государственный Университет 
(ПетрГУ)

185910, Петрозаводск, пр. Ленина 33
Научно-образовательный центр «Фундаментальные проблемы приложений физики низкотемпературной плазмы (НОЦ «Плазма»)»
Хахаев Анатолий Диамидович
тел.: (814-2) 782693
факс: (814-2) 711000
e-mail: dfe@psu.karelia.ru.

1. Проведено научное обоснование методов создания наноструктур типа углеродных нанотрубок и фуллеренов в ионизованных потоках паров углеродсодержащих соединений.   С целью оптимизации технологии плазменного синтеза фуллеренов путем термодинамических расчетов и модельного эксперимента проанализирована температурная устойчивость фуллеренов и показано, что она существенно зависит от сорта  плазмообразующего газа, его давления и  процентного содержания углерода в смеси. Данный результат используется при проектировании установки для синтеза фуллеренов, поскольку  известно, что повышение температуры  благоприятно для формирования фуллеренов, но рабочая температура среды ограничивается термической устойчивостью фуллеренов.

2. Теоретически исследованы закономерности и условия образования устойчивых упорядоченных плазменно-пылевых структур (плазменных кристаллов), а также особенности фазовых переходов в упомянутых структурах.

Показано, что притяжение между пылинками, обусловленное микро­флуктуациями объемного положительного заряда, может быть физической причиной динамического появления и распада классических связанных пар и мночастичных комплексов, колебания которых являются причиной аномального роста тепловой энергии пылевой подсистемы, наблюдавшегося в экспериментах.

Численно промоделирована задача о поведении частиц малого размера в плазме низкого давления с учётом ионизации в области возмущения.  Получены значения потенциала и заряда частицы в зависимости от радиусов частицы и ячейки Зейтца-Вигнера. Показано, что для заданных параметров плазмы и размеров частиц существует минимальный размер ячейки, который соответствует наблюдаемым в эксперименте межчастичным расстояниям.

3. Проведены эксперименты по выращиванию пылевых структур из частиц различной природы в тлеющем разряде в неоне, аргоне и гелии. Показано, что общие закономерности формирования пылевых структур из диэлектрических, металлических и полупроводниковых частиц и их влияния на параметры плазмы, в частности на ее излучение, принципиально не отличаются:

- с увеличением числа инжекций частиц в разряд структуры увеличиваются в объеме, но этот рост достигает насыщения, причем тем быстрее, чем меньше разрядный ток.

- среднее межчастичное расстояние в структуре определяется парой  газ-материал частицы,  и практически не меняется с ростом объема структуры.

- при малых разрядных токах  присутствие частиц влияет на электрические характеристики разряда и практически не влияет на интенсивность спектральных линий. С увеличением разрядного тока влияние структур на излучение становится заметным: интенсивность спектральных линий увеличивается с ростом числа инжекций частиц в разряд.

- объем структуры и сама ее форма при определенных условиях разряда (ток, давление), одинаковом числе инжекций и одинаковом материале частиц существенно зависит от природы плазмообразующего газа (рис. 1)

Создана и опробована установка для измерения  плотности метастабильных атомов в пределах упорядоченной структуры методами лазерной флюоресцентной спектроскопии.

4. Теоретически и экспериментально исследованы плазмохимические процессы деструкции и синтеза веществ при плазменной переработке материалов в металлургических, энергетических и экологических приложениях, а также в технологиях рационального природопользования:

– продолжились работы по плазменной модификации шунгитов Карелии. Основные усилия  были сосредоточены на оптимизации режимов дуговой обработки для увеличения выхода фуллеренов и фуллереноподобных структур. Показано, что при дуговой обработке шунгита происходит графитизация шунгитового углерода, последующая обработка приводит к росту в углеродсодержащей саже и в объемном образце содержания фуллеренов.

–  опробован  ряд  технологических установок для обработки воды тлеющим разрядом  в атмосферных условиях с помощью дугового и высоковольтного разряда. Наиболее перспективной является установка с   пластинчатыми электродами,  в которой  при подаче высоковольтного напряжения (несколько кВ) наблюдается «гребенка» параллельных нитевидных разрядов, по количеству почти совпадающих с числом выступов на электроде, что позволяет обрабатывать достаточно большие площади поверхности воды при малом потреблении энергии. Высоковольтность разряда способствует интенсивному образованию различных высокоэнергетичных активных частиц (электронов, ионов, радикалов), которые обладают в наибольшей степени бактерицидными свойствами.

5. В условиях разряда в скрещенных  электрических и магнитных полях с графитовыми электродами получены алмазоподобные пленки и методами рентгеновской дифрактометрии установлены диагностические критерии их идентификации (рис. 2).

6. Разработана и опробована методика определения параметров плазмы по динамическим зондовым  характеристикам, позволяющая проводить диагностику в плазме сложного состава, в том числе в процессах образования наноструктур в плазме и при выращивании эпитаксиальных структур на поверхности, а также для исследования плазменных кристаллов. Получены данные о радиальных распределениях потенциала, концентрации заряженных частиц и функции распределения электронов по энергиям в разряде в скрещенных полях магнетронного типа в гелии. Выявлен ряд особенностей в высокоэнергетической части области функции распределения. Одновременно проводилось изучение пространственного распределения излучения линий атомарного спектра. Наблюдается качественная корреляция между результатами оптических и электрических измерений. Для различных областей тлеющего разряда в неоне экспериментально определена третья производная зондового тока по потенциалу зонда, имеющая смысл дифференциальных потоков электронов при данной энергии. Изменение третьей производной по продольной координате соответствует выводам, следующим из нелокальной кинетики электронов.

Рисунок 2 - Электронограммы и соответствующие им кривые распределения дифракционной интенсивности наиболее характерных областей, обнаруженных в полученных пленках и соот-ветствующих алмазоподобному (а) и графитоподобному (б) некристаллическим углеродам, а также графиту (в)

7. Разработан и изготовлен генератор ВЧ на диапазон 50-200кГц и мощностью до 10кВт с применением IGBT-транзисторов, что значительно улучшает массо-габаритные показатели аналогичных установок. Генератор пригоден для применения в мощных источниках света, формирования однородных плазменных потоков и др.

8. Проведены экспериментальные исследования электрических характеристик разряда с острийным жидкометаллическим анодом, создано миниатюрное плазменное устройство для генерации плазменного аэрозоля, измерены характеристики плазменного аэрозоля водного раствора родамина 6G, усовершенствован прибор для определения состава воздушно-плазменного потока, проведена регистрация зарядового состава потока, генерируемого различными ионизаторами. Разработано устройство для осуществления несамостоятельного разряда, инициируемого жидкостным микроплазмотроном и проведены измерения основных его характеристик.

9. В магнетронном разряде получены структуры Si-SiO₂-VO₂, обеспечивающие возможность создания переключателей металл- диэлектрик, рабочая частота которых может достигать гигагерцового диапазона. Обнаружена модификация пленок аморфного оксида ванадия под действием ионно-лучевого экспонирования, что открывает возможности использования данного материала в качестве резиста для ионно-лучевой литографии. С помощью мультимикроскопа СММ-2000, работающего как в туннельном, так и в атомно-силовом режиме, начаты исследования действия низкотемпературной плазмы на поверхность твердого тела.

10. Совместно с Институтом Теплофизики им. С.С.Кутателадзе СО РАН исследованы особенности излучения безэлектродных индукционных разрядов в неоне (рис. 3а), парах кадмия и ртути (рис. 3б) в смеси с аргоном. Путем анализа контуров спектральных линий для разряда в неоне оценена атомная температура: (800±50)К и концентрация атомов на уровне 3s³P₂⁰ : (1.6±0.4)×10¹²см^-3

В лампе с парами ртути исследованы характеристики излучения резонансной линии ртути (l=254 нм) в зависимости от параметров индукционного разряда; разработана и изготовлена экспериментальная установка для обеззараживания воды производительностью 10÷20 м³/час в зависимости от прозрачности воды для ультрафиолетового излучения.

Все работы выполнены в рамках тематик грантов PZ-013-02, молодых ученых – кандидатов наук, программы 4.1 и др. при поддержке Министерства Образования и Науки РФ, Американского Фонда Гражданских Исследований и Развития и Правительства Республики Карелия.

Важнейшие доститжения:
1) Исследованы закономерности формирования плазменно-пылевых структур в зависимости от рода газа, условий разряда и вещества макрочастиц.

2) Получены алмазоподобные пленки в высокочастотном разряде с графитовыми электродами в скрещенных электрических и магнитных полях.

3) В магнетронном разряде получены структуры Si-SiO₂-VO₂, обеспечивающие возможность создания переключателей металл-диэлектрик, рабочая частота которых может достигать гигагерцового диапазона.