石墨烯革命:第四部分

Daniel Smith | 2013年 5月 2日

石墨烯可以在高真空下利用热分解制造。为了设计和优化这些高真空系统,工程师可能转向仿真寻求帮助,不过目前还没有多少仿真工具能胜任这一工作。让我们来看一下真空系统如何与石墨烯的生产相关,为什么要模拟它们,以及如何模拟。

将石墨烯带给大众的挑战

在之前一篇博客中,我提到过石墨烯和它的一些特性,以及 COMSOL 中可用来研究这种特殊材料应用的一些模拟工具。要将石墨烯正式投入大众市场,我们面临的一大障碍是如何通过经济的方式来制造。目前人们采用了多种生产方法,包括剥离、在适宜基底上进行外延生长、石墨烯的氧化还原、裂解,或金属-碳熔融生长

在一篇名为“利用丙烯热分解在 Pt(111) 上实现石墨烯膜的生长”的论文中,作者解释了如何在高真空中使用热分解制造石墨烯。我的同事 Bjorn 在他的博客“什么是分子流?”中曾提到,目前很少有模拟工具能帮助设计和优化高真空系统,尤其是非等温系统。我们无法利用常规的流体动力学工具模拟低压下的气体,因为随着气体分子的平均自由程变得与流动的长度尺度相当,热力学效应会变得相当重要。表面上的压力主要取决于真空系统中相对于分子源与汇的视线。本论文中描述的非等温真空系统的建造成本无疑非常高,因此建造前对设计的任何优化无疑都能大幅降低成本。论文中对表面通量及沉积速率进行了估算,但没有考虑系统几何,不同表面的温度差异,或泵的位置。

您将很快能模拟高真空系统

COMSOL 即将发布一款可用于模拟高真空系统的专业产品,也就是将于 5 月上旬与用户见面的分子流模块。该产品将极大地扩展目前微流体模块的功能。分子流模块包含一系列可用于气体流动动力学仿真的定制物理场接口,包括过渡流接口和自由分子流动接口。过渡流接口使用离散速度/格子 Boltzmann 方法来求解过渡流态的低速气体流动。自由分子流动接口使用角系数方法计算表面上的粒子通量、压力和热通量。可以计算域、表面、边和点上的数密度,因此可以耦合其他物理场。

为什么要模拟真空系统?

仿真可以加快产品的开发速度,并帮助设计工程师更好地理解真空系统。高真空与超高真空系统的建造及测试成本通常很高。这不仅包括部件的设计和制造成本,还包括花在烘烤、抽气,以及寻找系统泄露方面的大量时间。想象一下仅需将泵端口设在指定位置,即可在加工工具中使用更小型的泵;或者首次制造出的腔室即能满足必需的规格要求。这将极大地节省成本。分子流模块使您可以在切割金属前先行测试和优化不同的设计。

真空加工与石墨烯生产的相关应用

为了能够精确模拟位于任意复杂几何上的基底中的非等温分子流和沉积速率,我们需要一个高级模拟方法。由于气体分子与表面发生相互作用的频率要高于彼此之间,气体流动将由其与系统中表面的碰撞决定。因此需要求解一个复杂的积分方程来计算系统中的分子通量、压力、热通量,以及数密度。分子通量可结合一个适当的微分方程使用,以确定沉积速率以及沉积膜的厚度。

让我们来看几个模拟示例。

示例1:计算金热蒸镀膜的厚度

在 2000 K 的温度下,通过热源将金蒸镀在一个放置于固定表面的基底上。计算了基底及腔室壁上的镀膜厚度。

在 COMSOL Multiphysics 中模拟的蒸发器。
分子流计算可以显示晶圆片上的热蒸镀材料的均匀性及沉积速率。

示例2:负载锁定真空系统中晶圆片上的吸附与解吸

系统包含两个由闸阀(下图未显示)分隔的腔室。下方的圆柱形腔室是负载锁定腔。上方的球形腔室是高真空腔,样品加载过程中不通风。真空泵位置在闸阀对面,具有 500 l/s 的恒定速度。

在 COMSOL Multiphysics 中模拟的水吸附
对低压真空系统中水吸附和解吸的瞬态仿真。 当负载锁定装置的闸阀打开时,水被引入系统中,本例对接下来的水迁移和泵入过程进行了模拟。

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