انقلاب گرافن: قسمت 4

گرافن را می توان از طریق تجزیه حرارتی در خلاء بالا ایجاد کرد. به منظور طراحی و بهینه سازی این سیستم های با خلاء بالا، مهندسان ممکن است به شبیه سازی نگاه کنند، اما در حال حاضر ابزارهای مدل سازی زیادی وجود ندارد که بتواند این کار را انجام دهد. بیایید نگاهی به چگونگی ارتباط سیستم‌های خلاء با تولید گرافن بیندازیم، چرا باید آن‌ها را شبیه‌سازی کنید، و چگونه.

موانع در آوردن گرافن به توده ها

مدتی قبل در مورد گرافن و برخی از خواص آن و همچنین برخی از ابزارهای مدلسازی موجود در نرم افزار COMSOL Multiphysics® برای بررسی کاربردهای این ماده عجیب و غریب وبلاگ نوشتم. یکی از موانع اصلی که باید قبل از عرضه گرافن به بازار انبوه بر آن غلبه کرد، نحوه تولید آن به روش اقتصادی است. بسیاری از روش‌های تولید در حال حاضر مورد استفاده قرار می‌گیرند، از جمله لایه‌برداری، رشد برون‌اکسی روی یک بستر مناسب، کاهش اکسید گرافن، پیرولیز یا رشد از مذاب‌های فلز-کربن .

در این پایان نامه با عنوان ” رشد لایه های گرافن در Pt(111) توسط تجزیه حرارتی پروپیلن “، نویسنده توضیح می دهد که چگونه می توان گرافن را با استفاده از تجزیه حرارتی در خلاء بالا تولید کرد. همانطور که همکار من Bjorn در پست وبلاگ خود در مورد ” جریان مولکولی چیست؟ابزارهای مدل‌سازی کمی برای کمک به طراحی و بهینه‌سازی سیستم‌های با خلاء بالا وجود دارد، به خصوص اگر سیستم غیر گرمایی باشد. گازها در فشارهای پایین را نمی‌توان با ابزارهای دینامیک سیالات معمولی مدل‌سازی کرد، زیرا اثرات جنبشی مهم می‌شوند زیرا میانگین مسیر آزاد مولکول‌های گاز با مقیاس طول جریان قابل مقایسه می‌شود. فشار روی سطوح در درجه اول به خط دید با توجه به منابع مولکولی و فرورفتگی در سیستم خلاء بستگی دارد. ساخت سیستم خلاء غیر گرمایی که در پایان نامه توضیح داده شده است، ناگزیر هزینه بالایی برای ساخت خواهد داشت، بنابراین هرگونه بهینه سازی طراحی که می تواند قبل از ساخت انجام شود، منجر به صرفه جویی زیادی در ادامه خط می شود. برخی از برآوردها در مورد شار روی سطوح و نرخ رسوب در پایان نامه آورده شده است، اما اینها هندسه سیستم را در نظر نمی گیرند.

به زودی می توانید سیستم های با خلاء بالا را مدل کنید

ما در COMSOL آماده می‌شویم تا اعلام کنیم که یک محصول اختصاصی برای مدل‌سازی سیستم‌های با خلاء بالا، ماژول جریان مولکولی، در اوایل ماه مه در دسترس مشتریان ما قرار خواهد گرفت. این محصول قابلیت‌های موجود در ماژول Microfluidics را تا حد زیادی گسترش خواهد داد. ماژول جریان مولکولی مجموعه‌ای از رابط‌های فیزیکی مناسب برای شبیه‌سازی جریان‌های گاز جنبشی است. این ماژول شامل دو رابط فیزیک است: رابط جریان انتقالی و رابط جریان مولکولی آزاد . رابط جریان انتقالی از رویکرد بولتزمن سرعت/شبکه گسسته برای حل جریان های گاز با سرعت پایین در رژیم جریان انتقالی استفاده می کند. جریان مولکولی آزادرابط از روش ضریب زاویه ای برای محاسبه شار ذرات، فشار و شار حرارتی روی سطوح استفاده می کند. چگالی اعداد را می توان بر روی دامنه ها، سطوح، لبه ها و نقاط محاسبه کرد و بنابراین برای جفت شدن با سایر فیزیک در دسترس است.

یادداشت سردبیر: ماژول جریان مولکولی در 3 می 2013 منتشر شد.

چرا سیستم های خلاء را شبیه سازی کنیم؟

شبیه سازی می تواند سرعت توسعه محصول را افزایش دهد و همچنین منجر به درک بهتر سیستم های خلاء برای مهندسان طراح شود. ساخت و آزمایش سیستم‌های خلاء بالا و فوق‌العاده بسیار گران است. این تنها هزینه طراحی و قطعات ماشین نیست. زمان زیادی را می توان صرف پخت، پمپاژ پایین و بررسی نشتی در سیستم کرد. تصور کنید یک پمپ کوچکتر را بتوان به سادگی با قرار دادن پورت پمپ در یک مکان خاص روی یک ابزار فرآیند نصب کرد . یا اینکه اتاقک در اولین ساخت مشخصات لازم را داشت . صرفه جویی در هزینه قابل توجه خواهد بود. ماژول جریان مولکولی به شما این امکان را می دهد که قبل از شروع به برش فلز، طرح های مختلف را آزمایش و بهینه کنید.

برنامه های کاربردی مربوط به پردازش خلاء و تولید گرافن

به منظور مدل‌سازی دقیق جریان‌های مولکولی غیر گرمایی و نرخ‌های رسوب بر روی بسترها در هندسه‌های پیچیده دلخواه، یک رویکرد مدل‌سازی پیچیده مورد نیاز است. از آنجایی که مولکول‌های گاز بیشتر با سطوح تعامل دارند تا با یکدیگر، جریان گاز با برخورد با سطوح در سیستم تعیین می‌شود. حل یک معادله انتگرال پیچیده به منظور محاسبه شار مولکولی، فشار، شار حرارتی و چگالی عدد در سیستم ضروری است. شار مولکولی را می توان در ترکیب با یک معادله دیفرانسیل مناسب برای تعیین نرخ رسوب و ضخامت لایه رسوب شده استفاده کرد.

بیایید به چند نمونه مدل سازی نگاهی بیندازیم.

مثال 1: ضخامت یک فیلم طلایی تبخیر شده حرارتی را محاسبه کنید

طلا از یک منبع حرارتی در دمای 2000 کلوین بر روی بستری که روی یک سطح ثابت قرار دارد تبخیر می شود. ضخامت فیلم رسوب‌شده روی بستر و دیواره‌های محفظه محاسبه می‌شود.

اواپراتور مدل سازی شده در COMSOL Multiphysics
محاسبات جریان مولکولی می تواند یکنواختی و نرخ رسوب را بر روی یک ویفر از یک ماده تبخیر شده حرارتی نشان دهد.

مثال 2: جذب و دفع آب در یک سیستم خلاء قفل بار

این سیستم از دو محفظه تشکیل شده است که توسط یک شیر دروازه از هم جدا شده اند (در نمودار زیر نشان داده نشده است). محفظه استوانه ای پایینی محفظه قفل بار است. محفظه کروی فوقانی یک محفظه با خلاء بالا است که در طی فرآیند بارگذاری نمونه تخلیه نمی شود. پمپ وکیوم در مقابل شیر دروازه قرار دارد و دارای سرعت ثابت 500 لیتر بر ثانیه است.

جذب آب در COMSOL Multiphysics مدل‌سازی شده است
جذب و دفع آب وابسته به زمان در یک سیستم خلاء در فشارهای پایین. هنگامی که یک شیر دروازه به یک قفل بار باز می شود و مهاجرت و پمپاژ بعدی آب مدل می شود، آب به سیستم وارد می شود.