分別采用低壓非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散流體模型和碰撞流體模型描述了等離子體浸沒離子注入平面靶表面過程中等離子體回復(fù)擴(kuò)散和鞘層演化行為，通過數(shù)值求解兩流體模型研究了不同工作氣壓下多脈沖鞘層的時(shí)空演化動(dòng)力學(xué)特征。計(jì)算結(jié)果表明，在連續(xù)脈沖作用下，開始幾個(gè)脈沖內(nèi)的注入離子流和離子碰撞能量較高，幾百微秒內(nèi)迅速降低并達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。多個(gè)脈沖作用后的離子注入?yún)��?shù)穩(wěn)定值比初始一個(gè)脈沖內(nèi)的結(jié)果更準(zhǔn)確，更具理論指導(dǎo)意義。工作氣壓對(duì)初始等離子體密度分布、注入離子流和離子碰撞能量影響顯著。較低的工作氣壓無論對(duì)提高離子注入劑量還是離子碰撞能量都是十分有利的。

　　等離子體浸沒離子注入(PIII)技術(shù)是由Tendys等于1988年提出的一種新型表面改性技術(shù)，大量實(shí)驗(yàn)證明PIII可以有效地提高金屬材料表面的硬度、耐腐蝕性和耐磨性。在PIII過程中，高的負(fù)脈沖電壓使得靶表面形成等離子體鞘層，離子在鞘層內(nèi)電勢(shì)的作用下注入靶。前一個(gè)脈沖結(jié)束后鞘層隨即塌縮恢復(fù)成電中性，在脈沖間隔時(shí)間里等離子體由密度較高的區(qū)域向密度較低的原鞘層區(qū)域擴(kuò)散，這個(gè)過程就是鞘層塌縮后的等離子體回復(fù)過程。如果時(shí)間足夠長(zhǎng)，原鞘層區(qū)域會(huì)回復(fù)到初始狀態(tài)，那么每個(gè)脈沖內(nèi)的鞘層動(dòng)力學(xué)行為都將保持一致。而如果脈沖間隔時(shí)間過短，使得靶表面附近的等離子體未及時(shí)回復(fù)，這勢(shì)必會(huì)影響下一個(gè)脈沖內(nèi)的鞘層動(dòng)力學(xué)行為。鞘層的動(dòng)力學(xué)行為對(duì)材料表面改性是至關(guān)重要的，學(xué)者們對(duì)PIII過程中鞘層動(dòng)力學(xué)行為做了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究。

　　這些研究有一個(gè)共同點(diǎn)，就是只考慮開始第一個(gè)脈沖內(nèi)的鞘層動(dòng)力學(xué)行為。而PIII過程中脈沖是連續(xù)地作用于靶，所以材料表面改性效果實(shí)際上由多脈沖鞘層動(dòng)力學(xué)行為決定。該問題已引起了相關(guān)學(xué)者的關(guān)注，研究者們采用了多種計(jì)算模型對(duì)多脈沖鞘層動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行理論研究。Wood等采用了PIC模型，但其計(jì)算量較大，不便于應(yīng)用，尤其在考慮離子與中性粒子的碰撞效應(yīng)的情況下；為了簡(jiǎn)化計(jì)算，最近有學(xué)者提出了描述等離子體回復(fù)擴(kuò)散過程的流體模型，但該流體模型只考慮了靶上電勢(shì)對(duì)等離子體的作用，完全忽略了等離子體的雙極性擴(kuò)散行為和碰撞效應(yīng)，不具有普適性。

　　本課題組于2013年提出了更具普適性的低壓非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散流體模型，該模型基于等離子體在較低氣壓下的雙極性擴(kuò)散機(jī)制，假設(shè)等離子體在非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程中每一時(shí)刻都是準(zhǔn)平衡態(tài)、準(zhǔn)電中性，用Lieberman提出的低壓穩(wěn)態(tài)離子遷移率描述離子的瞬時(shí)通量，并結(jié)合了描述連續(xù)離子流的流體運(yùn)動(dòng)方程和電子Boltzmann關(guān)系。本文應(yīng)用低壓非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散流體模型和鞘層碰撞流體模型研究了不同工作氣壓下PIII平面靶的多脈沖鞘層動(dòng)力學(xué)行為，得到了注入離子流和離子碰撞能量等參數(shù)在連續(xù)脈沖作用下隨時(shí)間的變化特性，明確了工作氣壓對(duì)這兩個(gè)主要工藝參數(shù)的影響。

　　1、模型描述

　　下面以平面靶為研究對(duì)象進(jìn)行討論。在PIII過程中，靶上脈沖負(fù)偏壓未施加時(shí)，等離子體由等離子體源區(qū)域不斷向靶表面擴(kuò)散，假設(shè)在擴(kuò)散過程中等離子體源區(qū)域內(nèi)等離子體密度保持不變，等離子體源區(qū)域與靶之間為等離子體擴(kuò)散區(qū)域，結(jié)構(gòu)示意如圖1(a)所示。當(dāng)靶上施加脈沖負(fù)偏壓時(shí)，原來的等離子體擴(kuò)散區(qū)域變成了兩層，靠近靶的那層為鞘層區(qū)域，而靠近等離子體源區(qū)域仍為等離子體擴(kuò)散區(qū)域，結(jié)構(gòu)示意如圖1(b)所示。

圖1　PIII平面靶示意圖

　　3、結(jié)論

　　本文應(yīng)用低壓非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散流體模型和鞘層碰撞流體模型研究了工作氣壓0.5，0.1和0.02Pa下PIII平面靶的多脈沖鞘層動(dòng)力學(xué)行為。計(jì)算結(jié)果表明，與穩(wěn)定階段相比，初始階段的平均注入離子流和離子碰撞能量相對(duì)較高，這種差異會(huì)隨著工作氣壓的降低而減小。連續(xù)脈沖作用后穩(wěn)定的注入離子流和離子碰撞能量更具實(shí)際指導(dǎo)意義。工作氣壓對(duì)初始等離子體密度分布、注入離子流和離子碰撞能量都有顯著影響。工作氣壓越低，靶附近的初始等離子體密度、注入離子流和離子碰撞能量都越高。例如，工作氣壓0.5Pa下靶表面等離子體密度、平均注入離子流和平均離子碰撞能量穩(wěn)定值分別為5.08×10¹² m^-3，0.08A/m^-2和0.3keV，而在0.2Pa下分別增高到1.03×10¹⁴ m^-3，0.51A/m^-2和5.4keV。因此，工作氣壓在保證能夠獲得足夠高的等離子密度的前提下，其值越低對(duì)提高PIII改性效果越有利。