负偏压离子鞘及气体压强影响表面波放电过程的粒子模拟

由于表面电磁波沿着介质-等离子体分界面传播,而很难通过对传统的表面波等离子体(SWP)源施加负偏压实现金属材料溅射,因此限制了SWP源的使用范围.近期,一种基于负偏压离子鞘导波的SWP源克服了这个问题,且其加热机理是表面等离激元(SPP)的局域增强电场激励气体放电产生.但是该SWP源放电过程的影响因素并未研究清晰,导致其最佳放电条件没有获得.本文采用粒子(PIC)和蒙特卡罗碰撞(MCC)相结合的模拟方法,探讨了负偏压离子鞘及气体压强影响SWP电离发展过程的放电机理.模拟结果表明,负偏压和气体压强的大小影响了离子鞘的厚度、SPP的激励和波模的时空转化,从而表现出不同的放电形貌.进一步分析确定,在负偏压200 V左右和气体压强40 Pa附近,该SWP源的放电效果最佳.     

大面积表面波等离子体源微波功率吸收的数值模拟研究

建立了大面积矩形表面波等离子体(SWP)源全尺寸的三维模型,用数值模拟的方法研究了SWP源基于碰撞的功率吸收问题,给出了随等离子体参数变化的微波反射率曲线,分析了不同天线对微波功率沉积的影响,并讨论了微波功率吸收和表面波的定性关系. 结果发现,均匀放电的SWP源功率沉积本质是由表面波等离子体的性质决定的,等离子体密度太大或太小都不利于功率吸收. 在正常工作气压下,SWP源通过碰撞机理即可以实现微波功率的有效沉积,微波吸收率可达80%以上,与已有实验相符. 本研究同时发现,天线阵列激发的表面波模式越紧凑,强度越大,越有利于微波的吸收. 关键词： 时域有限差分法 等离子体表面波 功率吸收 狭缝天线     

用自洽的蒙特卡罗—流体结合模型模拟溅射过程

 采用自洽的蒙特卡罗－流体结合模型对溅射过程进行模拟,以了解等离子体粒子行为与溅射参数的关系。溅射过程包括气体放电和溅射原子传输。对于气体放电,蒙特卡罗部分模拟快电子和快气体原子,而流体部分则描述离子和慢电子。对于溅射原子传输,蒙特卡罗部分模拟溅射原子的碰撞过程,而流体部分则描述溅射原子的扩散和漂移。模拟的结果包括：等离子体粒子的密度和能量分布;不同电离机制对气体原子和溅射原子电离的贡献;不同等离子体粒子对阴极溅射碰撞的贡献;溅射原子的密度分布;溅射场和溅射粒子相对于入射离子能量和角度的分布;溅射原子经碰撞后在整个等离子体区的分布。     

用自洽的蒙特卡罗—流体结合模型模拟溅射过程

采用自洽的蒙特卡罗－流体结合模型对溅射过程进行模拟,以了解等离子体粒子行为与溅射参数的关系。溅射过程包括气体放电和溅射原子传输。对于气体放电,蒙特卡罗部分模拟快电子和快气体原子,而流体部分则描述离子和慢电子。对于溅射原子传输,蒙特卡罗部分模拟溅射原子的碰撞过程,而流体部分则描述溅射原子的扩散和漂移。模拟的结果包括：等离子体粒子的密度和能量分布;不同电离机制对气体原子和溅射原子电离的贡献;不同等离子体粒子对阴极溅射碰撞的贡献;溅射原子的密度分布;溅射场和溅射粒子相对于入射离子能量和角度的分布;溅射原子经碰撞后在整个等离子体区的分布。     

电磁辐照金属铝膜材料释气效应研究

为研究空间环境中通用航天器表面覆盖的热控层电磁辐照效应,采用粒子模拟(PIC)和蒙特卡罗(MC)模拟相结合方法,建立了真空环境下电磁辐照航天器热控材料模型,模拟了场致电子发射、次级电子倍增、释气雪崩电离的全过程,并讨论了释气密度对热防护材料表面产生释气电离现象的影响。通过对比不同释气密度下该过程产生的电子和离子情况,获得热防护材料表面释气产生雪崩电离的阈值。模拟结果表明,当铝膜表面气体密度较小时,由于材料表面释气碰撞电离概率偏低而不会发生雪崩电离;只有当释气密度超过阈值时,材料表面释气碰撞电离过程加强,材料表面发生雪崩电离生成等离子体,等离子体吸收电磁波能量,其离子和电子总能量提升,可能对金属铝膜材料造成损伤。     

电子回旋共振放电的电离特性PIC/MCC模拟(Ⅰ)——物理模型与理论方法

采用粒子模拟与蒙特卡罗相结合(PIC/MCC)的方法对电子回旋共振(ECR)放电中的电离过程进行了模拟，其中带电粒子与微波的相互作用由PIC方法的电磁模型描述，粒子间的碰撞过程由MCC方法描述.考虑的碰撞类型有电子与中性粒子的弹性、激发、电离碰撞，离子与中性粒子的弹性、电荷交换碰撞，碰撞截面均依赖于能量而变化.阐述了理论分析的过程，为数值模拟ECR放电奠定了基础. 关键词： 电子回旋共振放电 粒子模拟 蒙特卡罗 电离     

表面等离激元——机理、应用与展望

等离激元光子学(plasmonics)的研究内容是金属纳米结构独特的光学性质及其应用.随着纳米科技的进步,等离激元光子学已经迅速发展成为一门新兴学科,在生物、化学、能源、信息等领域具有重要的应用前景.文章主要介绍表面等离激元(surface plasmons,SPs)的一些基本物理性质,包括局域的表面等离激元(localized surface plas-mon,LSP)和传导的表面等离激元(propagating surface plasmon polariton,SPP),文章还介绍了表面等离激元的几个重要的应用方向,例如生物/化学传感器、表面等离激元激光、光开关器件以及表面等离激元光逻辑运算,等等.     

表面等离激元的聚焦与波导增强

近年来,表面等离激元学(plasmonics)已经形成一个新的学科热点.电子在金属与介质界面的集体振荡行为形成一种元激发——表面等离激元（surface plasomon polariton,SPP）.由于其具有特殊的耦合与传播性质,与SPP相关的器件设计与应用成为目前纳米光子学领域的国际前沿研究方向.文章介绍了利用微纳加工技术制备的SPP纳米结构,以及利用近场光学表征手段对SPP聚焦、波导、共振增强现象研究的进展.     

截面形状对快电子激发纳米双线表面等离激元的影响

采用边界元方法研究了快电子在金属纳米双线中激发间隙表面等离激元(SPP)的性质,比较了在不同横截面形状(包括圆形、尖劈形和不规则形状)下电子所激发SPP的不同.研究表明:在以上波导结构中,快电子都能激发具有较长传播距离和较好局域性的低阶单级-单级耦合的间隙等离激元模式;同时通过对波导无量纲价值参数的比较,发现快电子在纳米双线中激发间隙等离激元对双线波导的横截面形状要求不高,横截面形状真正影响的是高阶等离激元模式的激发,而且快电子在截面形状为尖劈的双线波导中能激发局域性更强的间隙SPP.该研究将对实验中利用 关键词： 表面等离激元 间隙模式 金属纳米波导     

低气压感性耦合等离子体源模拟研究进展

感性耦合等离子体源具有放电气压低、等离子体密度高、装置结构简单等优点,因此常被用于材料刻蚀及表面处理工艺中.为了深入了解感性耦合等离子体的特性及其与表面的相互作用,数值模拟成为了目前人们普遍采用的研究手段之一.针对具体问题,可以选择不同的模拟方法,如整体模型、流体力学模型、流体力学/蒙特卡罗碰撞混合模型、偏压鞘层模型、粒子模拟/蒙特卡罗碰撞混合模型等.其中,整体模型计算效率最高,常被用于模拟复杂的反应性气体放电.但整体模型无法给出各物理量的空间分布,因此二维及三维的流体力学模型,也得到了人们的广泛关注.在低气压等极端的放电条件下,由于电子能量分布函数显著偏离麦氏分布,则需要耦合蒙特卡罗碰撞模型,来精确地描述等离子体内部的动理学行为.此外,通过耦合偏压鞘层模型,还可以自洽地模拟鞘层的瞬时振荡行为对等离子体特性的影响.对于等离子体中的非局域及非热平衡现象,则需要采用基于第一性原理的粒子模拟方法来描述.最后对目前感性耦合放电中的前沿问题进行了展望.     

A numerical simulation of surface wave excitation in a rectangular planar-type plasma source

The principle of surface wave plasma discharge in a rectangular cavity is introduced simply based on surface plasmon polariton theory. The distribution of surface-wave electric field at the interface of the plasma-dielectric slab is investigated by using the three-dimensional finite-difference time-domain method (3D-FDTD) with different slot-antenna structures. And the experimental image of discharge with a novel slot antenna array and the simulation of the electric field with this slot antenna array are both displayed. Combined with the distribution of surface wave excitation and experimental results, the numerical simulation performed by using 3D-FDTD is shown to be a useful tool in the computer-aided antenna design for large area planar-type surface-wave plasma sources.     

Self-consistent three-dimensional modeling and simulation of large-scale rectangular surface-wave plasma source

A self-consistent and three-dimensional (3D) model of argon discharge in a large-scale rectangular surface-wave plasma (SWP) source is presented in this paper, which is based on the finite-difference time-domain (FDTD) approximation to Maxwell's equations self-consistently coupled with a fluid model for plasma evolution. The discharge characteristics at an input microwave power of 1200~W and a filling gas pressure of 50~Pa in the SWP source are analyzed. The simulation shows the time evolution of deposited power density at different stages, and the 3D distributions of electron density and temperature in the chamber at steady state. In addition, the results show that there is a peak of plasma density approximately at a vertical distance of 3~cm from the quartz window.     

局域态密度对表面等离激元特性影响的研究

表面等离激元是一种在金属与介质界面上激发并耦合电荷密度起伏的电磁振荡, 具有近场增强和短波长等特性, 在纳米光子学的研究中扮演重要角色. 将表面等离激元的效应用于单光子源的制备, 不但可以有效减小器件的体积, 而且可以有效提高单光子的辐射和收集效率. 本文根据表面等离激元的珀赛尔系数与光子态密度的关系, 采用局域态密度计算的方法, 分析了不同金属材料的局域态密度及珀赛尔系数的特性. 通过计算比较, 选择银为最佳金属材料, 并在此基础上讨论了探测距离和电介质材料对局域态密度和珀赛尔系数的影响, 为基于表面等离子激元的单光子源制备提供重要参数.     

Classifying the transmission resonances of a subwavelength aperture within a thin metallic film by breaking the symmetry

Here by introducing an I-shape structure to break the symmetry of a thin metallic film, the contributions of Fabry–Perot (FP) resonance-like modes and surface plasmon polariton (SPP) resonance-like are determined. The finite difference-time domain (FDTD) simulation is utilized to provide a clear picture of the electromagnetic field distribution and transmission profile. The FP matrix method is employed to specify the contribution of FP resonance. Some of the predicted resonances of the FP matrix method coincide with the simulation result which is labeled as FP resonance-like modes. The remaining resonance modes in transmission profile are considered as SPP resonance-like modes. Our results provide explicit evidence that both FP resonator modes and SPP resonance are responsible for extraordinary optical transmission (EOT) through a subwavelength aperture.     

表面等离激元的聚焦与波导增强

近年来,表面等离激元学（plasmonics）已经形成一个新的学科热点.电子在金属与介质界面的集体振荡行为形成一种元激发——表面等离激元（surface plasomon polariton,SPP）.由于其具有特殊的耦合与传播性质,与SPP相关的器件设计与应用成为目前纳米光子学领域的国际前沿研究方向.文章介绍了利用微...     

Nonlinear spoof surface plasmon polariton phenomena based on conductor metamaterials

We present nonlinear phenomena produced from spoof surface plasmon polariton (SSPP) modes. Below the THz spectrum, artificially textured conducting metastructures on a subwavelength scale generate surface-bound modes and are called SSPP modes, similar to surface plasmon polariton (SPP) modes in the visible spectrum. Even though nonlinear effects in the THz domain are negligible, subwavelength metallic gap structures are ideal candidates to realize nonlinear behavior in the THz domain because of slow light propagation, strong electromagnetic confinement, and a high quality factor Q. In particular, when SSPP structures are combined with Kerr nonlinear materials, nonlinear-bistable curves can be observed below the THz spectrum.     

电子回旋共振放电电离特性的PIC/MCC模拟

A theoretical and computational model is presented to study the ionization of the argon electron cyclotron resonance(ECR)microwave discharge using a quasi-three-dimensional electromagnetic particle-in- cell plus Monte Carlo collision method.The interaction between the charged particles and microwave fields are described by the electromagnetic mode of particle-in-cell method.The collision processes are treated with Monte Carlo method.The simulation code is the original work.The results of the particle simulation for the ECR discharge of argon gas which include the microscopic features of charged particles and the electromagnetic characteristics of the ECR discharge plasma,and also the transient phenomena have been presented.