Simulation of multiphysics phenomena in plasma sources for material applications

Mgr. Martin Kubečka, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Tato dizertační práce zkoumá komplexní chování plazmatu v různých plazmových zdrojích pro materiálové aplikace. Výzkum se soustředí na nerovnovážné plazma, které funguje v různých tlacích od nízkého až po atmosférický. Porozumění tomuto typu plazmatu je důležité, protože hraje klíčovou roli v mnoha průmyslových a vědeckých aplikacích díky svým jedinečným vlastnostem a reakcím za různých podmínek. Tato práce kombinuje původní, dosud nepublikovanou práci se dvěma recenzovanými publikacemi, kde byl autor hlavním přispěvatelem. Značná část výzkumu se zaměřuje na reaktivní magnetronové naprašování, analyzované pomocí trojrozměrného multiškálového modelu. Tato část studie poskytuje vhled do složitých procesů, které probíhají v průmyslovém zařízení pro povlakování, konkrétně do složitého vzájemného působení mezi tokem plynu, dynamikou plazmatu a dynamikou deponování materiálu. Práce také prezentuje dvourozměrný model procesu PVD vakuového oblouku. Tato analýza pomáhá lépe porozumět dynamice plazmatu v obloukovém PVD, což je důležité pro zlepšení technik povlakování a depozice filmů. Nakonec se výzkum zabývá tepelnými nestabilitami způsobenými mikrovlně indukovaným plazmatem modelováním těchto nestabilit ve dvou rozměrech. Tato část studie pomáhá objasnit, jak plazma interaguje s teplem, což je důležité pro zlepšení plazmových procesů v různých aplikacích.

Abstract:

This Ph.D. thesis investigates the complex behaviors of different plasma sources for material applications. The study centers on non-equilibrium plasma, which operates under a range of pressures from low to atmospheric. Understanding this type of plasma is important because it plays a key role in many industrial and scientific applications due to its unique properties and responses under various conditions. This thesis combines original, unpublished work with two peer-reviewed publications where the author was the main contributor. A significant part of the research focuses on reactive magnetron sputtering, analyzed using a three-dimensional multi-scale model. This part of the study provides insights into complex processes occurring in industrial coating equipment, specifically the complex interplay between gas flow, plasma dynamics, and material deposition dynamics. The thesis also presents a two-dimensional model of the vacuum-arc PVD process. This analysis helps to better understand the plasma dynamics in arc-PVD, which is important for improving coating and film deposition techniques. Finally, the research looks at thermal instabilities caused by microwave-induced plasma sources by modeling these instabilities in two dimensions. This part of the study helps to clarify how plasma interacts with heat, which is important for improving plasma-based processes in various applications.

Keywords

fyzika plazmatu, nelineární modelování, simulace multifyzikálních jevů, materiálové procesy v plazmatu, modelovaní plazmatu

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 16. 11. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 23. 1. 2024
• Supervisor: Mgr. Zdeněk Bonaventura, Ph.D.
• Reader: Dr. Claudiu Costin, prof. Ing. Alexander Kromka, DrSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Plasma Physics