Физико-математическая модель помогла описать процесс синтеза нанокристаллов германия

Ученые сформулировали физико-математическую модель и с ее помощью показали, что будет происходить с германиевым электродом при генерации дугового разряда. Оказалось, что германиевый электрод будет достаточно сильно нагреваться и испаряться. В результате испаренные частицы германия начнут попадать в холодные области камеры, конденсироваться и кристаллизоваться. Используя этот процесс, можно получить германиевые наноструктуры — экологически безопасные аналоги современных полупроводников. Результаты исследования опубликованы в журнале High Energy Chemistry.

Из-за своей нетоксичности, биосовместимости, электрохимической стабильности и совместимости с современной микроэлектроникой нанокристаллы германия считаются экологически безопасными альтернативами классическим полупроводникам, при производстве которых используют токсичные соединения. Поэтому ученые ищут новые технологии, позволяющие дешево, быстро и в промышленных масштабах синтезировать нанокристаллы германия. На данный момент нанокристаллы различных веществ химики получают в газовых разрядах, возникающих при протекании электрического тока через газы. Реакция протекает при высоких температурах в условиях плазмы — ионизированного газа, образованного из нейтральных атомов и заряженных частиц. Однако исследования плазменных реакторов остаются сложной задачей из-за большого количества протекающих одновременно процессов. Поэтому ученые разрабатывают физико-математические модели и проводят численные расчеты, которые позволяют предсказывать процессы, протекающие в плазменных реакторах.

Ученые из Казанского национального исследовательского технического университета имени А. Н. Туполева — КАИ разработали физико-математическую модель, с помощью которой предсказали судьбу германия в плазменном реакторе. С помощью систем уравнений авторы описали тепловые процессы, протекающие на катоде, аноде и в межэлектродном пространстве. Сначала исследователи проверили разработанную модель на вольфрамовых электродах. Для вольфрама накоплено достаточно экспериментальных данных, которые можно использовать для оценки состоятельности расчетных моделей. Количественные значения расчетных и экспериментальных вольт-амперных характеристик практически совпали.

Затем авторы провели расчеты для случая, когда в качестве катода использовался молибден, а в качестве анода — германий. По расчетам температура поверхности германиевого анода достигала 2900 °C и превышала, таким образом, температуру испарения. Исследователи предполагают, что в реальных экспериментах германий будет испаряться и за счет газовых потоков переноситься от анода в более холодные части установки. Затем испаренный германий будет оседать, конденсироваться и кристаллизоваться, что потенциально может использоваться при формировании наноструктур, например полупроводников, для опто- и радиоэлектроники, а также электротехники. Таким образом, созданная модель позволяет анализировать синтез и рост наноструктур в плазменных реакторах.

«Построение такой модели было простимулировано ранее проведенными экспериментами по этой тематике. В Казанской научной школе уже собран достаточно обширный экспериментальный материал по синтезу различных типов наноструктур с использованием низкотемпературной плазмы. Теперь нам хотелось бы в рамках моделей описать все процессы, протекающие в разряде и прогнозировать оптимальные условия синтеза наноструктур», — рассказывает Алмаз Сайфутдинов, доктор физико-математических наук, доцент Казанского национального исследовательского технического университета имени А. Н. Туполева — КАИ.

Материал подготовлен при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».