شبیه سازی سنتز گرافن به روش رسوب دهی شیمیایی بخار

در پژوهش حاضر عوامل مختلفی که برروی فرآیند ساخت گرافن به روش رسوب دهی شیمیایی بخار اثر می گذارند مورد مطالعه قرار گرفته است. برای بررسی این عوامل، فرآیند به روش دینامیک سیالات محاسباتی و با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت نسخه 13 شبیه سازی شد. در این شبیه سازی متان به عنوان منبع هیدروکربنی به همراه هیدروژن و آرگون به عنوان گاز حامل با نرخ جریان ورودی به ترتیب 5/0، 5 و 100 سانتی متر مکعب بر دقیقه، در نظر گرفته شد. شبیه سازی در فشارهای مختلف، از فشار 410 پاسکال تا فشار اتمسفری و در محدوده ی دمایی 700 تا 1000 درجه سانتی گراد انجام گرفت و همچنین 21 واکنش گازی و 8 واکنش سطحی در نظر گرفته شد.در میان عوامل مختلفی که برروی فرآیند رشد گرافن به روش رسوب دهی شیمیایی بخار تأثیر گذار هستند، ترکیب فاز گازی واکنشگاه، دمای واکنشگاه، محل قرارگیری زیرلایه در طول واکنشگاه، فشار و غلظت منبع هیدروکربنی ورودی که از اهمیت بیش تری برخوردار بودند مورد مطالعه قرار گرفتند. ابتدا نحوه ی توزیع دما و سرعت درون واکنشگاه بررسی شد و در ادامه نحوه ی پراکندگی و توزیع اجزای شیمیایی مختلفی که در فرآیند شرکت دارند، در فاز گازی مطالعه و نشان داده شد، در ابتدای واکنشگاه که دما به مقدار کافی بالا نیست هیچ واکنشی صورت نمی گیرد، ولی بلافاصله با افزایش دما متان شروع به تجزیه کرده و اجزای مختلفی را تولید می کند. در این میان جزء مولی ch3 و h که دارای درجه اهمیت بیش تری هستند در طول واکنشگاه مورد بررسی قرار گرفتند. سپس پوشش سطحی گرافن به عنوان مشخصه خروجی به منظور بررسی تأثیرات دما، محل قرارگیری زیر لایه، فشار و غلظت منبع هیدروکربنی ورودی برروی فرآیند رسوب دهی شیمیایی بخار در نظر گرفته شد. نتایج عددی نشان می دهند که با افزایش دما از 993 تا 1273 درجه کلوین، پوشش سطحی گرافن 77 درصد افزایش می یابد. همچنین با حرکت به سمت انتهای واکنشگاه در قسمت میانی، پوشش سطحی گرافن افزایش می یابد. با افزایش فشار از 410 تا 1000 پاسکال پوشش سطحی گرافن کاهش می یابد و سپس با افزایش بیش تر، از 1000 پاسکال تا فشار اتمسفری، پوشش سطحی گرافن روند صعودی را دنبال می کند. در مورد غلظت گاز متان ورودی، نتایج نشان می دهند که با افزایش جزء مولی متان از 001/0 تا 01/0، پوشش سطحی گرافن 68 درصد افزایش می یابد. در انتها با استفاده از روش سطح پاسخ و طراحی باکس-بنکن شرایط بهینه برای فرآیند پیش بینی شد. نتایج روش سطح پاسخ، بهینه ترین شرایط برای رسیدن به 100 درصد پوشش سطحی گرافن را دمای 1185 کلوین، فشار413 پاسکال و جزء مولی ورودی 009/0 برای متان پیش بینی کرد.