Aggiornamenti del Plasma Module

Agli utenti del Plasma Module, COMSOL Multiphysics® versione 5.3 offre un nuovo modello di diffusione Global con cui testare complesse chimiche di reazione, un'opzione per approssimare l'energia elettronica media di sistemi ad alta pressione e diversi nuovi tutorial. Tutte le nuove funzionalità e i nuovi tutorial del Plasma Module sono descritti in dettaglio qui di seguito.

Nuova app: Boltzmann DC Glow Discharge

Questa app modella una scarica luminescente DC. La funzione di distribuzione dell'energia degli elettroni (EEDF) e le proprietà di trasporto degli elettroni sono calcolate con l'interfaccia Boltzmann Equation, Two-Term Approximation. Poiché i parametri di ingresso per l'interfaccia Boltzmann Equation, Two-Term Approximation, come il grado di ionizzazione del plasma, non sono noti a priori, viene eseguito un processo iterativo. Uno studio di Boltzmann e uno studio sul plasma vengono calcolati in alternanza finché la deviazione nella densità di elettroni scende al di sotto di un valore definito dall'utente. Di conseguenza, si può esaminare l'EEDF in ogni punto della geometria.

App Boltzmann DC Glow Discharge realizzata con il Plasma Module Interfaccia utente per l'app di esempio Boltzmann DC Glow Discharge che mostra i risultati della simulazione.
Interfaccia utente per l'app di esempio Boltzmann DC Glow Discharge che mostra i risultati della simulazione.

Percorso dell'Application Library:
Plasma_Module/Applications/boltzmann_dc_discharge

Modellazione globale per le analisi iniziali dei processi al plasma

Per facilitare la modellazione di processi al plasma, il nuovo modello di diffusione Global consente di eseguire le analisi iniziali dei processi, prima di ottimizzarli con una modellazione più accurata. La modellazione globale riduce i gradi di libertà dei modelli, applicando equazioni differenziali ordinarie al modello al plasma. Ciò consente di testare e verificare complesse reazioni chimiche prima di eseguire modelli a dipendenza spaziale, pur tenendo conto della geometria del reattore, della chimica superficiale e dei flussi in entrata. Per l'attivazione della modellazione globale, selezionare l'opzione Global nel menu a tendina Diffusion model e scegliere tra i tipi di reattori disponibili:

  • Closed reactor
  • Constant mass
  • Constant pressure


Percorso dell'Application Library con un esempio che illustra la modellazione globale:
Plasma_Module/Global_Discharges/chlorine_global_model

Approssimazione di campo locale

Le scariche di pressione atmosferica tendono a essere instabili dal punto di vista numerico, a causa delle difficoltà nel calcolo dell'energia media degli elettroni. Ora è possibile evitare di calcolare l'energia media degli elettroni usando l'opzione Local field approximation. Le proprietà di trasporto e i coefficienti della sorgente diventano quindi funzioni del campo elettrico ridotto, definito dall'utente. Questa approssimazione è adatta a pressioni elevate, quando si modellano streamer ed effetti corona.


Percorsi dell'Application Library con esempi che mostrano l'utilizzo di Local field approximation:
Plasma_Module/Direct_Current_Discharges/corona_discharge_air_1d
Plasma_Module/Direct_Current_Discharges/streamer_1d

Calcolo automatico della mobilità elettronica

Quando si specifica la mobilità elettronica nella finestra impostazioni Plasma Model, è ora possibile specificare le proprietà di trasporto da calcolare automaticamente, selezionandole da un elenco di reazioni di impatto elettronico.


Percorsi dell'Application Library con esempi che utilizzano l'opzione From electron impact reactions:
Plasma_Module/Direct_Current_Discharges/argon_dbd_1d
Plasma_Module/Inductively_Coupled_Plasmas/electrodeless_lamp

Supporto delle unità per le tabelle nell'interfaccia Plasma

È ora possibile modificare le unità dei dati nelle due colonne di una tabella delle interfacce Plasma. Le unità sono ora disponibili nelle seguenti funzionalità.

Reazioni di impatto elettronico

  • Quando si imposta Specify reaction using su Cross section data, si rende disponibile una tabella di Electron energy (V) e Collision cross section data (m2)
  • Quando si imposta Specify reaction using su Use lookup table e Rate constant form è impostato su Rate coefficient, si rende disponibile una tabella di Mean electron energy (V) e Rate coefficient data (m3/(mol · s) )
  • Quando si imposta Specify reaction using su Use lookup table e Rate constant form è impostato su Townsend coefficient, si rende disponibile una tabella di Mean electron energy (V) e Townsend coefficient data (m2)

Specie

  • Quando Species è Ion e le Mobility and Diffusivity Expressions sono impostate su Specify mobility, compute diffusivity, si può specificare Ion mobility (m2/(V · s)) in termini di Electric field (V/m)
  • Quando Species è Ion e le Mobility and Diffusivity Expressions sono impostate su Specify mobility, compute diffusivity, si può specificare Ion mobility (m2/(V · s)) in termini di Reduced electric field (V/m2)

Modello del plasma

Quando la proprietà di interfaccia Use reduced electron transport properties non è attiva e Electron transport properties è impostato su Use lookup tables, si rendono disponibili quattro tabelle per:

  • Electron mobility, con due colonne per Mean electron energy (V) e Electron mobility (m2/(V · s))
  • Electron diffusivity, con due colonne per Mean electron energy (V) e Electron diffusivity (m2/s)
  • Electron energy diffusivity, con due colonne per Mean electron energy (V) e Electron energy diffusivity (m2/s)
  • Electron energy mobility, con due colonne per Mean electron energy (V) e Electron energy mobility (m2/(V · s))

Quando la proprietà di interfaccia Use reduced electron transport properties è attiva e Electron transport properties è impostato su Use lookup tables, si rendono disponibili quattro tabelle per:

  • Reduced electron mobility, con due colonne per Mean electron energy (V) e Reduced electron mobility
    (1/(m · V · s))
  • Reduced electron diffusivity, con due colonne per Mean electron energy (V) e Reduced electron diffusivity
    (1/(m · s))
  • Reduced electron energy diffusivity, con due colonne per Mean electron energy (V) e Reduced electron energy diffusivity (1/(m · s))
  • Reduced electron energy mobility, con due colonne per Mean electron energy (V) e Reduced electron energy mobility (1/(m · V · s))

Modelli di mobilità ionica aggiuntivi

Sono disponibili due nuovi modelli per il calcolo della mobilità ionica. Il modello Dalgarno richiede la specificazione della polarizzabilità ionica ed è valido quando il campo elettrico è basso (la velocità di deriva ionica è molto inferiore alla velocità termica ionica). Il modello High field è valido quando la velocità di deriva ionica è molto maggiore rispetto alla velocità termica.

Nuovo tutorial: Atmospheric Pressure Corona Discharge in Air

Questo tutorial presenta uno studio di una scarica corona DC coassiale in aria secca a pressione atmosferica. Le quote e le condizioni operative sono simili a quelle dei precipitatori elettrostatici con configurazioni da filo a piastra. L'elettrodo a filo interno ha un raggio di 100 mm e lo spazio tra gli elettrodi è di 10 cm.

Il modello risolve le equazioni di continuità elettronica e ionica e di quantità di moto nell'approssimazione deriva-diffusione, accoppiate in maniera autoconsistente con l'equazione di Poisson. Si utilizza l'approssimazione di campo locale, il che significa che i coefficienti di trasporto e di sorgente sono considerati ben parametrizzati attraverso il campo elettrico ridotto.

Le simulazioni presentate sono per regimi di stato stazionario, con una scarica continua e decine di kV applicati all'elettrodo interno, mentre l'elettrodo esterno è a massa. Sono d'interesse la creazione e il trasporto di particelle cariche e il modo in cui questi si traducono nella caratteristica corrente-tensione della scarica.

Grafico del tutorial Atmospheric Pressure Corona Discharge in Air Densità di elettroni, ioni positivi e ioni negativi in una scarica per effetto corona con chimica dell'aria semplificata.
Densità di elettroni, ioni positivi e ioni negativi in una scarica per effetto corona con chimica dell'aria semplificata.

Percorso dell'Application Library:
Plasma_Module/Direct_Current_Discharges/corona_discharge_air_1d

Nuovo tutorial: Negative Streamer in Nitrogen in 1D

Gli streamer sono scariche elettriche filamentose transitorie che possono svilupparsi in uno sfondo coibente in presenza di un campo elettrico intenso. Queste scariche possono raggiungere una elevata densità di numero di elettroni e, di conseguenza, un'elevata concentrazione di specie chimiche attive, rilevanti per numerose applicazioni. Le applicazioni industriali includono la produzione di ozono, il controllo dell'inquinamento e la lavorazione di superfici.

La propagazione degli streamer è determinata da dinamiche fortemente non lineari che coinvolgono gradienti di densità molto ripidi e un'elevata densità di carica spaziale distribuita in strati molto sottili. Questo tutorial presenta lo studio di uno streamer negativo in azoto a pressione atmosferica in un campo elettrico costante di -100 kV/cm. Il modello è monodimensionale e descrive il comportamento transitorio di un seed di elettroni iniziale, dalla crescita di elettroni in un campo elettrico imperturbato fino alla propagazione dello streamer.

Grafico del tutorial 1D Negative Streamer in Nitrogen Distribuzione spaziale della densità elettronica (linee piene colorate) e di numero ionico (linee tratteggiate nere) per quattro istanti temporali durante la propagazione di uno streamer.
Distribuzione spaziale della densità elettronica (linee piene colorate) e di numero ionico (linee tratteggiate nere) per quattro istanti temporali durante la propagazione di uno streamer.

Percorso dell'Application Library:
Plasma_Module/Direct_Current_Discharges/streamer_1d

Nuovo tutorial: Chlorine Discharge

Le scariche di plasma contenenti cloro sono utilizzate nell'incisione di semiconduttori e metalli nella fabbricazione microelettronica.

Questo tutorial studia le scariche di cloro nel plasma utilizzando un modello di diffusione globale (mediato nel volume). Si possono eseguire le simulazioni in una frazione del tempo che sarebbe necessario per i modelli a dipendenza spaziale. Questo li rende adatti per studiare grandi insiemi di reazioni e regioni con parametri estesi.

Il modello Chlorine Discharge esplora le potenze assorbite da 50 a 600 W, lavorando con pressioni da 1 a 100 mTorr. I risultati di diverse quantità rilevanti, come la densità di elettroni, la temperatura degli elettroni e il peso atomico del cloro, sono in buon accordo con le misurazioni eseguite in reattori al plasma accoppiati nella forma induttiva, tipici della bibliografia di riferimento.

Grafico del tutorial Chlorine Discharge Evoluzione della specie di cloro e della densità elettronica nel reattore mediante un modello di diffusione globale.
Evoluzione della specie di cloro e della densità elettronica nel reattore mediante un modello di diffusione globale.

Percorso dell'Application Library:
Plasma_Module/Global_Discharges/chlorine_global_model

Nuovo tutorial: Surface Chemistry

La chimica superficiale è un aspetto spesso trascurato della modellazione di un flusso reagente. Questo tutorial mostra come si possono aggiungere le specie e le reazioni superficiali per studiare processi come la deposizione chimica da fase vapore (CVD). Il tutorial quindi modella la crescita del silicio su un wafer.

Inizialmente, l'esempio utilizza un modello globale per analizzare un'ampia regione di parametri dalla chimica complessa. Successivamente, viene creato ed eseguito un modello a dipendenza spaziale. Il bilancio di massa complessivo nel sistema è della massima importanza, mentre si esamina la differenza tra la velocità di massa mediata e la velocità di diffusione. Il modello dimostra che la massa totale e la concentrazione molare nel sistema sono conservate. Infine, si studia l'altezza del silicio depositato come funzione del tempo.

Grafico del nuovo tutorial Surface Chemistry

Crescita del silicio depositato su un contorno per il modello globale (a destra) e il modello dipendente dallo spazio (a sinistra). L'asse x rappresenta la dimensione spaziale (m), l'asse y rappresenta il tempo (s) e l'asse z rappresenta l'altezza di crescita (Å). Dal momento che si tratta di un reattore chiuso con una distribuzione uniforme della specie, l'accordo tra i due metodi è molto buono.

Crescita del silicio depositato su un contorno per il modello globale (a destra) e il modello dipendente dallo spazio (a sinistra). L'asse x rappresenta la dimensione spaziale (m), l'asse y rappresenta il tempo (s) e l'asse z rappresenta l'altezza di crescita (Å). Dal momento che si tratta di un reattore chiuso con una distribuzione uniforme della specie, l'accordo tra i due metodi è molto buono.

Percorso dell'Application Library:
Plasma_Module/Chemical_Vapor_Deposition/surface_chemistry_tutorial

Nuovo tutorial: Microwave Microplasma

Il plasma sostenuto nelle aperture di scarico microscalari è in grado di funzionare a pressioni elevate (1 atm) con un'elevata densità del numero di elettroni (1E20 m-3) e densità di potenza (1E9 W/m3), pur mantenendo una temperatura relativamente fredda delle particelle pesanti. Questo tutorial simula un plasma di argon a pressione atmosferica sostenuto da un'eccitazione elettrica variabile nel tempo nell'intervallo delle microonde. Il modello è unidimensionale nella direzione del campo applicato e descrive l'evoluzione spaziotemporale di alcune proprietà macroscopiche del plasma.

Grafico dal nuovo tutorial Microwave Microplasma

Evoluzione logaritmica della densità elettronica durante il 500-esimo ciclo RF. L'asse y in questo grafico rappresenta il tempo moltiplicato per la frequenza di eccitazione.

Evoluzione logaritmica della densità elettronica durante il 500-esimo ciclo RF. L'asse y in questo grafico rappresenta il tempo moltiplicato per la frequenza di eccitazione.

Percorso dell'Application Library:
Plasma_Module/Capacitively_Coupled_Plasmas/microwave_microplasma