MARC

 008260126s2025        us                              c    eng  d
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■020    ▼a9798273301870
■035    ▼a(MiAaPQ)AAI32279564
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a530
■1001  ▼aTheis,  Joseph  George  .
■24510▼aKinetic  and  Fluid  Modeling  of  Magnetized  Low-Temperature  Plasma  Discharges
■260    ▼a[Sl]▼bUniversity  of  Colorado  at  Boulder▼c2025
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2025
■300    ▼a133  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  87-07,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Cary,  John.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--University  of  Colorado  at  Boulder,  2025.
■520    ▼aLow-temperature  plasma  discharges  are  vital  to  integrated  circuit  fabrication,  surface  engineering,  satellite  propulsion,  and  many  other  high-technology  processes.  These  technologies  rely  on  myriad  forms  of  plasma  discharge,  each  with  their  own  unique  design  challenges  and  gaps  in  understanding.  In  this  work,  we  investigate  two  distinct  discharge  phenomena:  Paschen's  law  and  direct-current  magnetron  sputtering  (DCMS).  Paschen's  law,  which  relates  the  breakdown  voltage  of  a  gas  filled  capacitor  to  the  product  of  the  gas  pressure  and  gap  distance,  is  a  classic  plasma  physics  result  that  is  fundamental  to  many  of  these  discharges  since  it  defines  the  ideal  ignition  conditions.  DCMS  is  an  $\\mathbf{E}  \imes  \\mathbf{B}$  discharge  that  is  widely  used  to  deposit  thin  films.            In  this  dissertation,  we  demonstrate  the  utility  of  particle-in-cell  (PIC)  methods  to  simulate  these  low-temperature  plasma  discharges.  PIC  allows  us  to  model  the  plasma  kinetically,  capturing  the  non-Maxwellian  nature  of  these  low-pressure  devices.  PIC  simulations  are  computationally  expensive,  so  we  explore  techniques  to  reduce  runtime  and  make  practical  device  simulation  feasible.  These  techniques  include  the  speed-limited  particle-in-cell  (SLPIC)  method,  which  limits  the  speed  of  the  fastest  particles  to  enable  larger  timesteps.  This  work  is  the  first  demonstration  of  the  integration  of  SLPIC  particles  with  the  Monte  Carlo  Collisions  (MCC)  method,  which  we  use  to  simulate  Townsend  discharge  and  Paschen's  law.  We  benchmark  our  simulated  Paschen  curve  to  experiment,  and  validate  it  with  conventional  PIC  simulation,  showing  that  SLPIC  provides  a  two-order-of-magnitude  speedup.            We  also  present  a  dynamic,  recursive  coordinate  bisection  (RCB)  method  for  load  balancing  parallelized  simulations  with  non-uniform,  non-steady-state  plasmas.  Leveraging  RCB,  we  model  DCMS  with  2D-RZ  PIC  simulation.  Our  simulations  reproduce  the  experimentally  observed  voltage  versus  pressure  (V-P)  dependence  of  the  device  and  indicate  that  the  previously  dominant  theory  explaining  the  V-P  dependence  was  incorrect.  To  explain  the  V-P  dependence  of  DCMS,  we  develop  a  steady-state  1D-axial  fluid  model  of  the  discharge  that  accurately  reproduces  the  V-P  dependence  and  exposes  the  underlying  physics.  Our  PIC  simulations  and  fluid  model  also  provide  insights  into  electron  transport  and  energization,  ion  sputtering  profiles,  and  spatial  variations  in  the  discharge.
■590    ▼aSchool  code:  0051.
■650  4▼aPlasma  physics
■650  4▼aComputational  physics
■650  4▼aApplied  physics
■653    ▼aMagnetron  sputtering
■653    ▼aPaschen's  law
■653    ▼aPlasma  discharge
■653    ▼aSimulation
■690    ▼a0759
■690    ▼a0216
■690    ▼a0215
■71020▼aUniversity  of  Colorado  at  Boulder▼bPhysics.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g87-07B.
■790    ▼a0051
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2025
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17360057▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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