Simulation and experimental study of atmospheric pressure plasma jets depositing thin films for controlled release of chemical substances
Authors: Πασσαράς Δημήτριος 
Published: August 2023

Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός υπολογιστικού πλαισίου για τη διεργασία ψυχρού πλάσματος ατμοσφαιρικής πίεσης (CAPP) τύπου τζετ και η εφαρμογή του στην απόθεση υμενίων SiOx σε υποστρώματα Si. Η μελέτη συνδυάζει μαθηματική μοντελοποίηση, προσομοίωση και πειραματικές μετρήσεις. Επιπλέον, περιλαμβάνει την ενσωμάτωση αποτιθέμενων υμενίων SiOx σε συσκευές για την ελεγχόμενη έκλυση δραστικών ουσιών. Η λεπτομερής προσομοίωση όλης της διεργασίας, δηλαδή της απόθεσης υμενίων με CAPP τύπου τζετ, αποτελεί ένα εξαιρετικά δύσκολο έργο με ένα τεράστιο υπολογιστικό κόστος αφού πρέπει να επιλυθούν ταυτόχρονα οι εξισώσεις του πλάσματος και του μοντέλου τυρβώδους ροής συμπεριλαμβάνοντας ένα μεγάλο δίκτυο αντιδράσεων. Τα συστατικά του αέρα τα οποία συμμετέχουν στο πλάσμα οδηγούν σε ένα μεγάλο αριθμό αντιδράσεων (το αέριο παροχής αναμιγνύεται με τα συστατικά του αέρα). Για να αντιμετωπιστεί η πολυπλοκότητα και το υπολογιστικό κόστος αναπτύσσεται ένα υβριδικό υπολογιστικό πλαίσιο το οποίο επιτρέπει γρήγορους υπολογισμούς με λεπτομερή δίκτυα αντιδράσεων (χιλιάδες αντιδράσεις) και μεγάλο αριθμό (εκατοντάδες) χημικών συστατικών. Αποτελείται από ένα λεπτομερές μοντέλο τυρβώδους ροής, ένα μοντέλο μηδενικής διάστασης (global model) και ένα μοντέλο για τον υπολογισμό της κατανομής ενέργειας των ηλεκτρονίων συνδυάζοντας πηγαίο, ελεύθερο και εμπορικό κώδικα, με σκοπό τον υπολογισμό της πυκνότητας των παραγόμενων από το πλάσμα συστατικών κατά μήκος της αξονικής διεύθυνσης των τζετ. Το υπολογιστικό πλαίσιο είναι ευέλικτο αφού μπορεί να εφαρμοστεί σε διαφορετικά προβλήματα αλλάζοντας τη χημεία. Η μείωση του υπολογιστικού κόστους βασίζεται στην εύλογη αποσύζευξη του προβλήματος της ροής από το πρόβλημα του πλάσματος και στη σωστή χρήση του μοντέλου μηδενικής διάστασης ώστε να περιγράψει το πλάσμα. Τα αποτελέσματα των υπολογισμών χρησιμοποιούνται για την αξιολόγηση και επιβεβαίωση των υποθέσεων του μοντέλου μηδενικής διάστασης. Το υπολογιστικό πλαίσιο επιβεβαιώνεται μέσω δημοσιευμένων πειραματικών δεδομένων στον αντιδραστήρα τύπου τζετ kINPen. Γίνεται διερεύνηση της επίδρασης διαφορετικών μοντέλων τυρβώδους ροής [standard k-ε, realizable k-ε, και Large Eddy Simulation (LES)] στην πυκνότητα των παραγόμενων από το πλάσμα συστατικών. Η επιλογή του μοντέλου τυρβώδους ροής επηρεάζει σημαντικά την υπολογιζόμενη πυκνότητα μόνο ορισμένων συστατικών παραγόμενων από το πλάσμα [O2(1Σg), O-, O2-, O(1D), O, H, H2(r), H-, N2O(v), H7O3+, H9O4+, H15O7+ and OH-]. Η χρήση των απλών μοντέλων k-ε συνιστά έναν καλό συμβιβασμό ανάμεσα σε ακρίβεια αποτελεσμάτων και υπολογιστικό κόστος. Αν η πυκνότητα ενός από αυτά τα συστατικά είναι κρίσιμη για κάποια εφαρμογή τότε προτείνεται η χρήση του μοντέλου LES για υψηλότερη ακρίβεια. Το υπολογιστικό πλαίσιο δεν είναι αυτοσυνεπές: Είναι αναγκαίο να πραγματοποιηθούν πειραματικές μετρήσεις της θερμοκρασίας του αερίου και της απορροφούμενης από το πλάσμα ισχύος. Ο προσδιορισμός της θερμοκρασίας του αερίου διενεργείται μέσω ενός συνδυασμού πειραματικών μετρήσεων και 2D προσομοιώσεων ροής. Αυτές οι πειραματικές μετρήσεις μαζί με το υβριδικό υπολογιστικό πλαίσιο και πρόσθετες προσομοιώσεις τυρβώδους ροής συνδυάζονται με σκοπό τον υπολογισμό των ρυθμών απόθεσης του SiOx σε υπόστρωμα Si με τον εργαστηριακό αντιδραστήρα πλάσματος Ar/Hexamethyldisiloxane (HMDSO) τύπου τζετ. Χρησιμοποιείται λεπτομερές δίκτυο αντιδράσεων που περιλαμβάνει 845 αντιδράσεις και 87 συστατικά. Προτείνεται ένα νέο δίκτυο αντιδράσεων για αυτή τη διεργασία απόθεσης, με την προσθήκη αντιδράσεων μεταξύ των συστατικών του αέρα και του HMDSO. Ο συντελεστής προσκόλλησης της δραστικής ρίζας απόθεσης [κλάσμα της πρόδρομης ένωσης (HDMSO)] στην επιφάνεια του Si είναι άγνωστος και καθορίζεται μέσω της προσαρμογής των υπολογιζόμενων ρυθμών απόθεσης στους πειραματικούς για διαφορετικές αποστάσεις του υποστρώματος από τον αντιδραστήρα πλάσματος τύπου τζετ, με προτεινόμενη τιμή περίπου 0.04 (0.03-0.06). Τέλος, τα υμένια SiOx που έχουν αποτεθεί με τον εργαστηριακό αντιδραστήρα πλάσματος Ar/HMDSO τύπου τζετ αξιολογούνται ως υμένια φράγματος δραστικών ουσιών (φαρμάκων) σε συσκευές έκλυσης αποτελούμενες από μήτρες πορώδους Si. Η χρήση υμενιών SiOx στην επιφάνεια πορωδών μητρών αποτρέπει την αρχική γρήγορη έκλυση της εγκλωβισμένης δραστικής ουσίας και ευνοεί την απελευθέρωση της ουσίας υπό σταθερό ρυθμό καθόλη τη διάρκεια λειτουργίας της διάταξης. Έτσι, οι πορώδεις μήτρες Si με υμένια SiOx που έχουν αποτεθεί με CAPP τύπου τζετ εμφανίζουν καλές προοπτικές σε συσκευές ελεγχόμενης έκλυσης φαρμάκων.