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LPCVD法制备TiO_2纳米薄膜过程的能耗评估方法研究

杨君峰  
【摘要】:随着人们对TiO2纳米薄膜产品的不断研究和开发,其独特的优良性能在人们的生产生活当中逐渐凸显出来,而且其相关产品被广泛应用到许多领域,但在其制备过程中仍然存在着高能耗、低利用率的问题。这与近些年来自然资源匮乏的现状,人们日益提倡的节约能源、提高能效的理念相违背,不利于TiO2纳米薄膜的可持续化生产。 本文以LPCVD法制备TiO2纳米薄膜作为案例,首先运用化工流体力学、质量守恒定律以及纳米薄膜制备原理与技术的相关知识,结合TiO2纳米薄膜在制备过程中对黏性流体流动状态以及运动方程边界条件,得到混合气体关于压力梯度、黏度的速度函数;同时,运用菲克第一定律和气体输运特性,得到过基片不同截面上前驱体Ti(OC3H7)4的浓度函数表达式,从而得到TiO2纳米薄膜沉积进度函数。其中,过基片不同截面到上边界距离的大小b和硅片沿反应容器的轴向长度x是TiO2纳米薄膜沉积进度函数的重要参数,两者共同决定了制备过程中在基片不同部位的TiO2纳米薄膜沉积速率的大小。 其次,运用热力学定律、化工热力学的相关知识建立了化学反应的参数化热力学模型,结合LPCVD法制备TiO2纳米薄膜的相关条件,获得了制备过程中参与化学反应的前驱体以及化学沉积反应自身的热力学值。 再次,分析TiO2纳米薄膜制备过程中的各部分能量的组成,根据能量平衡和物料平衡理论,利用不同前驱体的质量流量以及热力学值,得到反应容器中不同温区下各部分的能量值,并将各部分能量值与设备总能耗进行对比分析。 最后,针对TiO2纳米薄膜制备的反应容器建立网格模型,通过在Fluent软件中定义流体算法、运载气体和前驱体的相关属性、化学反应机制,经过迭代计算后,模拟得到了反应容器中温度分布图像、不同温区下混合气体的速度分布图像、TiO2纳米薄膜沉积速率图像以及几种不同物质的焓值分布图。利用模拟结果对以上获得的不同温区的混合物速度函数、TiO2纳米薄膜生成速率函数、以及参数化能量模型进行验证并证明了其正确性;并根据TiO2纳米薄膜的生成速率及化学沉积反应中的热力学值得到化学反应在单位时间内产生的热力学值。将单位时间化学反应有效能值与设备总能耗的相比较,可以得到有效能占总能耗的比例;同时,利用TiO2纳米薄膜的沉积速率与前驱体的质量流量获得了原材料的利用率。


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