Лазерно- и магнетронно-модифицированные инжектирующие поверхности электродов для ЭГД-преобразователей

Цель – изучить электрогидродинамические процессы зарядообразования в полиметилсилоксановом жидком теплоносителе между парой проволочных электродов с микро- и наноразмерно структурированными поверхностями после лазерного скрайбирования и магнетронного напыления.

Задачи. Установить режимы лазерного облучения и магнетронного напыления и создания развитых микро- и наноструктур на поверхности медных проволочных электродов и исследовать влияние морфологии поверхности электродов на вольт-амперные характеристики и электрогидродинамические процессы с парой проволочных электродов в диэлектрическом в полиметилсилоксановом жидком теплоносителе.

Методология. Методом лазерного скрайбирования проволочных медных электродов и последующего магнетронного нанесения на них магнетронных покрытий из Al, Cr, Ni, Pt, резистивной мишени и TiN создавалась развитая поверхность с микро- и наноразмерной структурой. Полученные поверхности электродов изучены с помощью сканирующей электронной микроскопии до и после применения в специальной ячейке для исследования электрогидродинамических процессов. Особенности зарядообразования в низковольтном режиме анализировались по вольт-амперным характеристикам, измеренным с помощью пикоамперметра.

Результаты. Для катодов из медных проволочных электродов, скрайбированных лазерным излучением и покрытых магнетронным напылением, вольт-амперные характеристики обнаруживают нелинейный рост, описываемый косвенно в высоковольтной части автоэмиссионным механизмом электропроводности. Нелинейный рост начинается с начального участка. 

Вывод. Электрические поля, локализованные на вершинах структур, дополнительно возникающих при магнетронном напылении на микро- и наноструктурах, аблированной лазерным излучением поверхности электродов, приводит к преобладающей униполярной инжекции электронов с катода подобно автоэмиссионному, что может использоваться в разработке электроконвективных систем высокой производительности.

1. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. М.: Техносфера, 2005. 336 с.

2. Гусев А. И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М.: Физматлит, 2009. 416 с.

3. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований / Дж. Уайтсайдс, Д. Эйглер, Р. Андерс [и др.]; под ред. М. К. Роко, Р. С. Уильямса и П. Аливисатоса. М.: Мир, 2002. 292 с.

4. Суздалев И. П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М.: Либроком, 2009. 592 с.

5. Структура и свойства твёрдых и сверхтвёрдых нанокомпозитных покрытий / А. Д. Погребняк, А. П. Шпак, Н. А. Азаренков, В. М. Береснев // Успехи физических наук. 2009. Т. 179, № 1. С. 35–64.

6. Головин Ю. И. Введение в нанотехнику. М.: Машиностроение, 2007. 496 с.

7. Ролдугин В. И. Самоорганизация наночастиц на межфазных поверхностях // Успехи химии. 2004. Т. 73, № 2. С. 123–156.

8. Третьяков Ю. Д. Процессы самоорганизации в химии материалов // Успехи химии. 2003. Т. 72, № 8. С. 731–763.

9. DNA Assisted Assembly of Multisegmented Nanowires / J. Lee, A. A. Wang, Y. Rheem, B. Yoo, A. Mulchandani, W. Chen, N. V. Myung // Electroanalysis. 2007. Vol. 19, is. 22. P. 2287–2293.

10. Влияние электрических полей на процессы самоорганизации в ультрадисперсном растворе многостенных углеродных нанотрубок / А. П. Кузьменко, Т. П. Наинг, А. Е. Кузько, М. М. Тан // Журнал технической физики. 2020. Т. 90, № 2. С. 268–277.

11. Магнито- и электродинамическое структурирование в магнитореологических жидкостях на основе магнетита / А. П. Кузьменко, Тан, А. И. Жакин, А. Е. Кузько, Н. Ю. Гранкин, О. Ю. Черных // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2020. Т. 10, № 4. С. 59–78.

12. Самоорганизация квазирезонансных систем плазма-конденсат / В. И. Перекрестов, В. И. Перекрестов, А. И. Олемский, А. С. Корнющенко, Ю. А. Косминская // Физика твердого тела. 2009. Т. 51, № 5. С. 1003–1009.

13. Жакин А. И. Электрогидродинамика заряженных поверхностей // Успехи физических наук. 2013. Т. 183, № 2. С. 153–177.

14. Изучение переходных процессов и влияние поверхностной структуры электродов на теплоотдачу в проволочном ЭГД теплообменнике / А. И. Жакин, А. Е. Кузько, П. А. Белов, А. Н. Лазарев // Электронная обработка материалов. 2011. № 47 (3). С. 54–60.

15. Механизмы генерации наноразмерных металлических частиц при электрическом взрыве проводников / Н. Б. Волков, А. Е. Майер, В. С. Седой, Е. Л. Фенько, А. П. Яловец // Журнал теоретической физики. 2010. Т. 80, вып. 4. С. 77–80.

16. Sedoi V. S., Ivanov Y. F. Particles and crystallites under electrical explosion of wires // Nanotechnology. 2008. Vol. 19, nо. 14. http://iopscience.iop.org/0957-4484/19/14/145710.

17. Наносекундный электрический взрыв тонких проволочек / А. Е. Тер-Оганесьян, С. И. Ткаченко, В. М. Романова, А. Р. Мингалеев, Т. А. Шелковенко, С. А. Пикуз // Физика плазмы. 2005. Т. 31, вып. 10. С. 919–926.

18. Образование островковых структур при осаждении слабопересыщенных паров алюминия / В. И. Перекрестов, А. В. Коропов, С. Н. Кравченко, В. И. Перекрестов // Физика твердого тела. 2002. Т. 44, вып. 6. С. 1131–1136.

19. Интерпретация экспериментальных данных по электрическому взрыву тонких проволочек в воздухе / С. А. Пикуз, С. И. Ткаченко, Д. А. Баришпольцев, Г. В. Иваненков, А. Р. Мингалеев, В. М. Романова, А. Е. Тер-Оганесьян, Т. А. Шелковенко // Письма в Журнал технической физики. 2007. Т. 33, вып. 15. С. 47–55.

20. Транспорт электронов в монодисперсных структурах металлов / В. И. Козуб, В. М. Кожевин, Д. А. Явсин, С. А. Гуревич // Письма в Журнал технической физики. 2008. Т. 81, вып. 5. С. 287–291.

21. Кузьменко А. П., Кузько А. Е., Тимаков Д. И. Влияние на зарядообразование электрических полей на поверхностях наноструктурированных электродов // Журнал теоретической физики. 2013. Т. 83, вып. 2. С. 91–96.

22. Диссипативные наноструктуры и универсальность Фейгенбаума в неравновесной нелинейной динамической системе металл – мощное поляризованное ультракороткоимпульсное излучение / В. С. Макин, Р. С. Макин, А. Я. Воробьев, Чунлей Гуо // Письма в Журнал теоретической физики. 2008. Т. 34, вып. 9. С. 55–64.

23. Фемтосекундная запись субволновых одномерных квазипериодических наноструктур на поверхности титана / Е. В. Голосов, В. И. Емельянов, А. А. Ионин, Ю. Р. Колобов, С. И. Кудряшов, А. Е. Лигачев, Ю. Н. Новоселов, Л. В. Селезнев, Д. В. Синицын // Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2009. Т. 90, вып. 2. С. 116–120.

24. Кузько А. Е. Особенности изменения микрорельефа поверхностей электродов при электроконвекции в ПМС-50 // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Физика и химия. 2014. № 1. С. 24–30.

25. Кузько А. Е., Кузьменко А. П., Лазарев А. Н. Использование АСМ в расчёте инжекции зарядов при электроконвекции // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Физика и химия. 2013. № 2. С. 32–37.

26. Наноразмерная характеризация металлических магнетронных нанопленочных мультислоев из Cr, Cu, Al, Ni на ситалле / A. П. Кузьменко, Нау Динт, А. Е. Кузько, Мьо Мин Тан, Тант Син Вин, А. И. Колпаков // Известия вузов. Материалы электронной техники. 2016. Т. 19, № 3. C. 194–202.

27. Стишков Ю. К., Чирков В. А. Формирование электрогидродинамических течений в сильнонеоднородных электрических полях при двух механизмах зарядообразования // Журнал теоретической физики. 2012. Т. 82, вып. 1. С. 3–13.

28. Введение в физику поверхности / К. Оура, В. Г. Лифшиц, А. А. Саранин, А. В. Зотов, М. Катаяма. М.: Наука, 2006. 490 с.