優れた性能を備えたマイクロプラズマ発生器としての高エネルギーAl / Ni超格子

はじめに

反応性多層フォイル（RMF）には、外部エネルギー源によって刺激されると急速にエネルギーが放出される層構造の形で蓄積された化学エネルギーが含まれています[1,2,3,4,5]。これらのフォイルの反応速度と温度は、組成と形状に密接に関連しています[6、7、8、9]。それらは、材料の溶接[10,11,12]、爆発の開始[13,14,15]、および生物学的中和[16]の可能性があります。

多数の既存のRMFの中で、Al / CuO [17]、Al / MoO ₃ [18]、Al / PTFE [19]、B / Ti [20]、およびAl / Ni [21、22]が最も広く研究されています。 Al / Ni RMFは、高い反応熱（330 cal / g）、卓越した製造品質、およびコスト効率により優れています。 Al / Ni RMFの熱力学特性と発熱自立反応性能を明らかにするために多くの研究が行われてきました[23、24、25、26]。結果は、Al / Ni RMFの反応性能（例えば、最大燃焼温度、燃焼遅延時間）がそれらの二重層の厚さに強く依存することを示唆しています[27]。より薄い二重層を備えたRMFは、化学反応の開始を促進するために、燃料/酸化剤の界面接触面積を強化し、平均原子拡散距離を短縮しました[28]。一方、二重層の厚さが減少するにつれて、反応速度と温度は増加します。ただし、RMFの二重層の厚さが20 nm未満の場合、混合領域が大きいため、逆の傾向が見られます[29]。

Al / Ni RMFの二重層の厚さが分子またはサブナノメートルスケールに減少すると、エネルギーの高いAl / Ni超格子が形成されます。エネルギーの高いAl / Ni超格子は、反応物間の距離が非常に短く、混合領域が比較的大きいため、独特の化学反応特性を示します。エネルギーの高いAl / Ni超格子の化学反応は、化学反応メカニズムをよりよく理解するために、さまざまな方法（示差走査熱量測定[29]、透過型電子顕微鏡[30]、および時間分解X線微小回折[31]）によって特徴付けられました。結果は、超格子構造の拡散距離が非常に短いため、準安定相が形成されなかったことを示しています[32]。

エネルギーの高いAl / Ni超格子の燃焼特性と化学的メカニズムを参照して、広範な研究が行われてきました。ただし、余分な電気刺激下でのエネルギーの高いAl / Ni超格子に基づく電気的挙動とプラズマ性能に関する報告はありません。本研究では、エネルギッシュなAl / Ni超格子がAl ₂ に堆積しました。 O ₃ マグネトロンスパッタリングによる基板とウェットエッチングによるパターン化により、プラズマ発生器を形成します。電気刺激下での発電機の電気的挙動とプラズマ性能を詳細に調査しました。

実験方法

エネルギッシュなAl / Ni超格子サンプルは、Al ₂ 上にAlとNiで構成される層を交互に堆積させることによって製造されました。 O ₃ Ni（99.99 wt％）およびAl（99.99 wt％）ターゲットからの基板。堆積チャンバーのベース圧力は5×10 ^-5 でした。 Pa、および0.8 Paの圧力でArのプロセスガスを使用してスパッタリングを実行しました。AlおよびNi層の両方が90 Wで堆積されました。上記の堆積条件では、AlおよびNiの堆積速度は約15 nm / minおよび10nmでした。 / min、それぞれ。堆積したままの高エネルギーAl / Ni超格子の二重層の厚さは約25nmであり、全体の厚さは約4μmでした。各二重層は、全体の原子比を1：1に維持するために、厚さ比が3：2のAl層とNi層で構成されていました。比較サンプルとして、二重層の厚さが500nmのAl / NiRMFも堆積しました。セラミックプラグへの良好な付着を維持するために、厚さ20nmの銅層がサンプル上に堆積されました。

マイクロプラズマ発生器の製造プロセスは、図1に示すように、MEMS技術に基づいていました。まず、厚さ0.5mmの4インチです。 Al ₂ O ₃ 基板は、超音波浴でアセトン、アルコール、脱イオン水でそれぞれ5分間洗浄しました。次に、基板をオーブン内で100°Cで30分間乾燥させました。第三に、基板を試料ホルダーに固定し、それらの表面汚染物質を酸素プラズマによって除去した。次に、エネルギッシュなAl / Ni超格子がAl ₂ の表面に堆積しました。 O ₃ 基板。続いて、ポジ型フォトレジスト（AZ5214E）を、堆積したままのサンプルの表面に5000 rpmで60秒間スピンコーティングし、オーブンで100°Cで90秒間プリベークしました。その後、サンプルをパターン化し、16 mJ / cm ² の強度の紫外線にさらしました。 。その後、サンプルはNaOH溶液で現像されました。フォトレジストパターンを安定させるために、サンプルを再び120°Cでベークしました。最後に、サンプルをエッチングして、Alエッチャント溶液（Aluminum Etchant Type A、Transene Company、マサチューセッツ州ダンバーズ）で30°Cでボウタイブリッジを形成しました。パターン化されたサンプルを複数の個別のチップにダイシングし、残りのフォトレジストをアセトンで除去しました。最後に、チップをセラミックプラグに組み立ててプラズマ発生器を形成しました。

マイクロプラズマ発生器の製造工程

プラズマ発生器の断面構造は、透過型電子顕微鏡法（TEM）によって特徴づけられました。続いて、マイクロプラズマ発生器を高パルス電流発生器（0.22μF、2900–4100 V）を使用して刺激し、電流-電圧波形をロゴスキーコイルと高電圧プローブを使用して測定し、オシロスコープで記録しました。 。その間、プラズマ発生は高速度カメラ（SIM、SIL3001-00-H06）によって記録されました。超高速度カメラの露光時間は10ns、各フレームのインターバル時間は約20 –50nsでした。また、発生光強度はフォトダイオードで測定した。高パルス電流発生器、超高速度カメラ、およびオシロスコープ間のテストベースライン遅延は、図2に示すデジタル遅延発生器（DG535）によって制御されました。

マイクロプラズマ発生器の概略図のテスト

さらに、マイクロプラズマ発生器の性能は、30μmの厚さのカプトンフライヤーを駆動する能力をテストすることによって特徴づけられました。プラズマ発生器に短い電流パルスが印加され、ボウタイブリッジ（0.4×0.4 mm）が急速に爆発し、フライヤーは毎秒数キロメートルまでの速度まで加速しました[33,34,35]。 。そして、チラシの速度は、フォトニックドップラー速度測定（PDV）によって記録されました。

結果と考察

図3aは、高エネルギーのAl / Ni超格子の断面明視野TEM画像を示しています。これは、厚さが制御されたAlとNiの二重層からなる周期構造を示しており、さまざまな層を簡単に区別できます。図3b、cに示すように、選択領域電子回折（SAED）がさらに実行されます。明るい画像はAl層に対応し、暗い画像はNi層を示します。二重層の厚さは約25nmで、約15nmのAl層と10nmのNi層で構成されています。回折リングは、NiおよびAl層の明確な多結晶構造を示しています。図3dは、二重層の厚さが500nmのAl / Ni多層膜の断面明視野TEM画像を示しています。

a エネルギッシュなAl / Ni超格子の断面明視野TEM画像。 b Ni層の電子線回折パターン。 c Al層の電子線回折パターン。 d Al / NiRMFの断面明視野TEM画像

図4aは、3.5kVで充電された高エネルギーのAl / Ni超格子の電圧、電流、光強度、およびエネルギー履歴を示しています。電圧-電流の変化は、電流と電圧のピークを示します。超格子Al / Ni材料に電流パルスが供給されると、ジュール効果により膜が局所的に加熱され、ブリッジ両端の電圧の上昇に対応して温度が急激に上昇します[36、37]。最終的に、電圧は、抵抗が最大に達する電流の低下を引き起こすのに十分なほど高くなります。気化およびイオン化された材料は、低抵抗の新しい経路を構築して、電圧をゼロに向かって低下させ、放電電流を最大値にします。

a 最初に3.5kVに充電された蓄積コンデンサを備えた高エネルギーAl / Ni超格子の電流-電圧と発光強度の変化。 b 超高速度カメラによる動的プロセスの断面画像

図4bは、超高速度カメラで撮影された高エネルギーのAl / Ni超格子のプラズマ進化を示しています。ジュールの加熱、蒸発、プラズマの生成と膨張のプロセスは明らかです。図4によると、ぼやけた光が観察され、電圧と電流がゆっくりと上昇し、ジュール熱プロセス（≤168ns）を示しています。 218 nsでは、放射光がはっきりしている間に電圧が急激に上昇し、光の面積はボウタイブリッジの面積に近くなります。これは、高エネルギーのAl / Ni超格子の蒸発プロセスに対応します。電圧が258nsで最大に達すると、プラズマ生成に関連する爆発が発生し、その後に強い光が発生します。爆発後、プラズマが周囲に向かって膨張すると、衝撃波が発生しやすくなります。この研究では、Al / Ni RMFの燃焼に存在する生成物粒子は観察されておらず、高パルス電流下で高エネルギーのAl / Ni超格子の爆発が均一であることを示しています[38]。したがって、電圧ピークの時間は遅延時間（ T ）と見なすことができます。 _b ）（電流パルスの開始と電圧ピーク信号の間）。この遅延時間中にサンプルに吸収されたエネルギーは、臨界爆発エネルギー（ E ）と見なされます。 _c ）。開始発光強度のポイントは、電圧ピーク（258 ns）に対応することに注意してください。爆発前の光が弱いため、発光強度の信号はほとんど検出されません。

T の結果 _b および E _c 図5aに示すように、2900〜4100Vの範囲のさまざまな充電電圧での電圧-電流曲線を積分することで得られます。図5aに示すように、 T _b 充電電圧の上昇とともに減少します。図5aの挿入画像によると、最大電流は4100Vで約2572Aに達しますが、電流ピークは2900Vで1870Aに達します。これは、高エネルギーAl / Ni超格子の単位時間あたりの電気エネルギー入力が充電電圧の増加とともに増加しました。したがって、低い充電電圧での遅延時間は、高い充電電圧と比較してはるかに長くなります。ただし、 E の場合 _c 値では、充電電圧の増加に伴って増強された傾向を示します。これは、3500および2900 Vでの電気エネルギーと比較して、4100VでのエネルギーAl / Ni超格子の爆発点までより多くの電気エネルギーが吸収されることを意味します。電気パルスの下で爆発する不均一性。エネルギーの高いAl / Ni超格子に大電流パルスを印加すると、図5bに示すように、四隅の温度が他のセクションの温度よりもはるかに高くなり、短時間で爆発します。爆発セクション間の差は、充電電圧を上げると減少します。したがって、高エネルギーのAl / Ni超格子の電気的爆発は、低い充電電圧の場合よりも4100 Vでより均一に見え、高い爆発電圧と電気エネルギーを説明します。

a エネルギーの高いAl / Ni超格子の2900〜4100Vの範囲の充電電圧での爆発時間と臨界爆発エネルギーの実験結果。 b 超高速度カメラに向かう方向の高エネルギーAl / Ni超格子の動的プロセスの画像

図6aは、高エネルギーのAl / Ni超格子の2900〜4100Vの範囲の充電電圧でのプラズマ膨張によるフライヤー速度を示しています。電気パルスが超格子に負荷された後、膨張するプラズマ圧力がフライヤーを加速してサンプル表面から離し、フライヤーの一部を引き裂いて加速を続けます。予想通り、充電電圧が上がるとフライヤーの速度が上がります。充電電圧が4100Vの場合、最大フライヤー速度は3 km / sを超えます。これは、3500Vの充電電圧で得られるピーク値よりも大幅に高くなります。充電電圧が2900Vに低下すると、フライヤーの速度は約2.3 km / sになります。

a エネルギーの高いAl / Ni超格子に適用されるさまざまなコンデンサ充電電圧レベルのフライヤー速度曲線。 b 充電電圧が2900〜4100 V

の高エネルギーAl / Ni超格子およびAl / NiRMFのフライヤー速度

図6bに示すように、フライヤー速度は各充電電圧で3回測定され、最大フライヤー速度が平均化されます。結果は、RMFサンプルの最大フライヤー速度が高エネルギー超格子構造のそれよりもはるかに遅いことを示しています。ガーニーエネルギーモデルは、サンプル間のさまざまな電気エネルギーとフライヤーとレイヤーの質量比を調整するために導入されています[39、40]。最終的なフライヤー速度は、次のように予測されます。

ここで M はフライヤーの質量、 B は加速用のプラズマエネルギーが発生する質量であり、 E _g システムに提供される単位質量あたりのエネルギーです。 K 、 n は、フォイルの組成と形状によって決定されるガーニー係数です。 J _b は電気爆発電流密度です。現在の場合、サンプルは、同じ二重層の厚さ、全体の厚さ、および形状のために、同じフライヤー対層の質量比とガーニー係数を持っています。フライヤーの速度は、システムに供給される電気エネルギーに関連しています（ E _g ）、これは爆発電流密度によって計算されます。

私たちの実験結果では、Al / NiRMFの爆発電流密度は超格子よりも高くなっています。ガーニーエネルギーモデルによると、Al / Ni RMFの最終的なフライヤー速度は、エネルギーの高いAl / Ni超格子と統合されたサンプルと比較して高い値を示すはずです。ただし、予測結果は実験結果と一致していません（図6b）。それどころか、超格子を用いた実験結果は、RMFを対比することによってより高いフライヤー速度を示しています。フライヤーの運動エネルギーの増加は、AlとNiの間の反応から生成された化学エネルギーが、高エネルギーのAl / Ni超格子のプラズマのプロセスによって影響を受けることを確認します。熱放出は、プラズマ形成プロセス中の超格子の高いイオン化に起因し、プラズマの膨張速度が速くなります。

結論

この研究では、Al ₂ の表面にAlとNiの層を交互に堆積させることにより、高エネルギーのAl / Ni超格子を作製しました。 O ₃ マグネトロンスパッタリングによるセラミック基板、TEMによる特性評価。マイクロプラズマ発生器として統合された、余分な電気刺激下での高エネルギーAl / Ni超格子に基づく電気的挙動とプラズマ性能を調査した。統合されたマイクロジェネレータは、顕著な電気爆発現象を示し、小さなタイムスケールでプラズマを生成しました。フライヤー速度によって反射されたプラズマ出力は、500nmのAl / Ni多層のはるかに厚い二重層の場合よりも優れていました。ガーニーエネルギーモデルは、Al / Ni超格子構造の化学反応が、Al / NiRMFと比較してプラズマ生成に関与していることを確認しました。全体として、高エネルギーのAl / Ni超格子に基づくマイクロプラズマ発生器は、高プラズマ出力で優れた性能を発揮するため、電気エネルギー変換とシステムの信頼性が向上します。したがって、特別な機能を実装するために、マイクロプラズマまたはナノプラズマの開始剤に高エネルギーのAl / Ni超格子を適用する可能性が非常に高くなっています。

略語

RMF：

反応性多層フォイル

TEM：

透過型電子顕微鏡