Диссертация (1143641), страница 23
Текст из файла (страница 23)
Приэтом нужно иметь в виду, что важно не его абсолютное значение, а соотношение с другимипараметрами.Задача о распределении температуры в канале микронных размеров с газовым потокомявляется не тривиальной. Важную роль играют граничные условия, которые могут отличатьсяот условий в макросистемах и включать температурные скачки и другие явления. В даннойзадаче мы не ставим перед собой цель изучить детали распределения температуры по объемумикрореактора.
Мы рассматриваем вопрос о том, как меняется распределение концентрацииреагентов в неравномерном температурном поле. Рассматривая два крайних случая, идеальноеравномерное распределение температурыв объеме микрореактора (все предыдущиеэксперименты) и существенно неравномерное, как в этом случае, мы получим информацию обобщем характере поведения системы.
Это позволит нам понять и предсказать поведениемикрореактора и для промежуточных случаев. Проводить детальные расчеты температурных120характеристик не имеет смысла, поскольку они сильно отличаются в зависимости отконкретных химических процессов в микрореакторе. Используемые в моделях значениятемпературы подложки в данной серии экспериментов указаны в таблице 4.9.1.Таблица 4.9.1. Параметры численных экспериментов №51-55№ Эксперимента15152535455Tsub, К300350400500600700Ap, с-11051,73∙1012Tact, К05000Отличительной особенностью данной серии экспериментов является то, что здесьучитывается изменение константы скорости гомогенной химической реакции с температурой.При этом для расчета константы скорости используется уравнение 3.2.21. Для численногоэксперимента №1, температура активации принимается равной нулю, а предэкспоненциальнаяконстанта равна kv1.
Для учета влияния температуры на скорость реакции в численныхэкспериментах №51-55 значения температуры активации и константы Ap выбирались с такимусловием, чтобы при исходной температуре 300 К константа скорости химической реакциибыла равной значению этой величины для численного эксперимента №1. Значенияиспользуемых параметров также представлены в таблице 4.9.1.На рисунке 4.9.1 показана визуализация распределения температуры в реакторе.
Нарисунке 4.9.2 даны профили распределения температуры по разным сечениям микрореактора.Особенностью данного распределения является то, что при заданных условиях на участкемеждуподложкойистенкамимикрореакторанаблюдаетсясущественныйградиенттемпературы. В области центрального канала влияние температуры подложки существеннотолько при малых h. Сама температура газа внутри центрального канала не изменяется.Рисунок 4.9.1 – Распределение температуры по сечению микрореактора при Tsub =700 К121(а)(б)Рисунок 4.9.2 – Распределение температуры по сечению реактора: (а) r=0 мкм; (б) r=25 мкмРассмотрим как такое распределение температуры влияет на характер протеканияхимических процессов с учетом роста скорости гомогенной реакции при повышениитемпературы.
В данной серии экспериментов константы скорости поверхностных химическихреакций были одинаковы и не изменялись с температурой. Эти условия выбраныцеленаправленно, поскольку позволяют выделить влияние ускорения гомогенной химическойреакции на концентрацию реагентов и скорость осаждения. На практике при разныхтемпературах скорости поверхностных процессов также будут разные, однако этот случай вявном виде описан в предыдущем разделе, поэтому суммарный эффект будет представлятьсобой наложение обоих факторов: увеличение скорости гетерогенной реакции в области надподложкой и увеличение скорости поверхностной гетерогенной реакции по сравнению соскоростью таких процессов на стенках микрореактора.На рисунке 4.9.3(а) показаны профили массовой доли компонента А на оси реактора.
Сувеличением температуры подложки, концентрация компонента А в области над подложкойуменьшается, что объясняется его расходованием в гомогенной химической реакции. Нарисунке 4.9.3(б) показано распределение концентрации компонента A’ по оси реактора.Характер распределения меняется существенно с повышением температуры подложки.Для A’ появляется новый пик в области около подложки, который начинает существенно расти.Это также объясняется повышением скорости генерации этого компонента, при том, чтоскорость его расходования в данных модельных условиях не изменяется.Рисунок 4.9.4 показывает распределение массовой доли вещества A в зазоре междуподложкой и микрореактором при r=25 мкм.122(а)(б)Рисунок 4.9.3 – Распределение массовой доли вещества А (а) и вещества А’ (б) по сечениюреактора при r=0 мкм и различных температурах подложкиРисунок 4.9.4 – Распределение массовой доли вещества А (а) и вещества А’ (б) по сечениюреактора при r=25 мкм и различных температурах подложкиПри повышении температуры подложки происходят значительные изменения, связанныес резким падением концентрации компонента А непосредственно над подложкой за счетгомогенной реакции.
Скорость расходования компонента в таком случае становится настолькобольшой, что диффузия поперек потока не может выровнять его концентрацию в микроканале.На рисунке 4.9.5 показано, как изменяется массовая доля A’ вдоль радиуса микрореакторапри h=5 мкм. С повышением температуры растет концентрация A’ в области малых r, тогда какв конце реактора она снижается. Это означает более локальное распределение вещества околооси.
Повышение концентрации объясняется ускорением генерации A’ в гомогенной реакции.Явление же уменьшения концентрации ближе к концу реактора объясняется тем, что исходныйкомпонент А практически полностью успевает прореагировать в области реактора с малыми r.123Рисунок 4.9.5 – Распределение массовой доли вещества А’ по сечению реактора при h=5 мкм иразличных температурах подложкиНа рисунке 4.9.6 показано распределение скорости осаждения по радиусу подложки.Повышение максимальной скорости осаждения и улучшение локализации происходит с ростомтемпературы.
Зависимости являются следствием распределения компонентов А и A’ в реакторе.Рисунок 4.9.6 – Распределение скорости осаждения в зависимости от температуры подложки124Зависимость максимальной скорости осаждения от температуры подложки показана нарисунке 4.9.7.
Существует некоторая температура, при которой скорость осаждениямаксимальна. С дальнейшим увеличением температуры она падает. Рост скорости осаждения отначального значения до максимума объясняется увеличением концентрации компонента A’ засчет быстрой химической реакции разложения A около горячей подложки. Уменьшение жескорости осаждения при высоких температурах должно быть вызвано уменьшениемконцентрации компонента A’ над подложкой. Это возможно, если мы учтем уменьшениеплотности газа при его нагреве. Ранее в моделях мы принимали допущение о том, чтоплотность газа мало изменяется, что было верно для изотермических условий.
Теперь жепоявилось распределение температуры, и мы не можем считать плотность газа постоянной. Дляоценки влияния этого фактора построим график изменения плотности газа в точке r=0, h=1мкм, который представлен на рисунке 4.9.8. Можно видеть, что эти изменения достаточносущественны. Можно рассчитать произведение массовой доли A’ и плотности смеси –величину, которая молярной концентрации компонента A’, от которой непосредственно изависит скорость осаждения. Этот график также показан на рисунке 4.9.8. График произведенияэтих величин имеет практически такой же вид, как и график максимальной скоростиосаждения. Это подтверждает правильность предложенного объяснения уменьшения скоростиосаждения с ростом температуры.Рисунок 4.9.7 – Зависимость максимальной скорости осаждения от температуры подложкиПроанализировав поведение системы при повышении температуры подложки можносделатьследующийвывод.Повышатьтемпературуподложкиотносительносамогомикрореактора целесообразно, поскольку происходит целевое расходование реагентов внепосредственной близости от подложки.
Это приводит к улучшению локализации скоростиосаждения. Общие рекомендации необходимо корректировать в зависимости от конкретной125химической системы, используемой для осаждения, поскольку суммарный температурныйэффект зависит от соотношения скоростей множества гомогенных и гетерогенных реакций.Рисунок 4.9.8 – Зависимость плотности, массовой доли A от температуры при h=1 мкм, r=0 мкм4.10. Влияние геометрических параметров микрореактораВ данной серии экспериментов изучались различные вариации геометрии микрореактора.В частности происходило увеличение расстояния до подложки и радиуса центрального каналасовместно или по отдельности.
В таблице 4.10.1 показаны значения этих параметров в даннойсерии численных экспериментов.Таблица 4.10.1 – Параметры численных экспериментов №56-63№ Эксперимента15657585960616263H, мкм102030405020101030H1, мкм6070809010070606080R, мкм101010101020203030R1, мкм757575757585859595Для удобства исследования всю серию экспериментов можно разбить на три части. Впервой части (эксперименты №1, 56-59) варьировалось расстояние между микрореактором иподложкой начиная с 10 мкм до 50 мкм, при постоянном радиусе центрально канала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
