Энергетический Al/Ni суперрешетка обеспечивает высокоскоростную генерацию микроплазмы с усиленными скоростями флайера

Аннотация

Сообщается о фабрикации и характеристике энергетической Al/Ni суперрешетки, осажденной высоковакуумным магнетронным спуттерингом на подложки Al₂O₃. Полученная толщина билифера ~25 нм (≈15 нм Al + 10 нм Ni) образует хорошо-упорядоченную периодическую структуру, как подтверждает трансмиссионная электронная микроскопия (ТЭМ). При подвесе к 0,22 мкФ конденсатору, заряженному между 2,9 кВ и 4,1 кВ, суперрешетка демонстрирует выраженную электро-взрывную реакцию, генерирующую микроплазму в течение нескольких сотен наносекунд. Плазменный выход, квантованный измерениями скорости флайера, превосходит конвенциональные 500 нм Al/Ni мультислои, достигая >3 км с⁻¹. Эти находки демонстрируют, что Al/Ni суперрешетка может служить высокоэффективным генератором микроплазмы, обеспечивая улучшенную инициаторную производительность с меньшим энерговытратами.

Введение

Реактивные многослойные фолии (РМФ) запасают химическую энергию в чередующихся нанометрических слоях, которые взрыво реагируют при запуске внешним стимулом. Их скорость реакции и пиковая температура сильно управляются составом и геометрией слоев. Al/Ni РМФ особенно привлекательны благодаря высокой теплоте реакции (~330 кал г⁻¹), отличной технологичности и низкой стоимости. Обширные исследования установили, что уменьшение толщины билифера увеличивает площадь интерфейса топливо/окислитель и сокращает диффузионные расстояния, тем самым ускоряя реакцию и повышая пиковую температуру. Однако когда толщина билифера падает ниже ~20 нм, избыточное перемешивание может снизить производительность.

Когда билиферный интервал приводится в суб-нанометровый режим, получается энергетическая Al/Ni суперрешетка. Такая структура предлагает ультракороткие разделяния реагентов и большую область перемешивания, ведущую к уникальной реакционной кинетике, отличающейся от конвенциональных РМФ. Предыдущая работа характеризовала эти суперрешетки дифференциальным сканирующим калориметром, ТЭМ и времени-разрешенной рентгеновской микродифракцией, раскрывая отсутствие метастабильных фаз из-за ограниченного диффузионного расстояния.

Несмотря на множество исследований характеристик горения, электрический отклик и генерация плазмы Al/Ni суперрешеток под высоковольтной стимуляцией остаются недостаточно изученными. В этом исследовании мы осаждаем Al/Ni суперрешетку на подложки Al₂O₃, паттернируем её в бантиковый мост и оцениваем её электрическое и плазменное поведение при управлении высокоимпульсным конденсатором.

Экспериментальные методы

Энергетические Al/Ni суперрешетки образцы фабриковались попеременным осаждением Al и Ni слоев на подложки Al₂O₃ из высокочистых (99,99 масс.%) мишеней. Базовое давление камеры спуттеринга 5×10⁻⁵ Па, аргон вводили при 0,8 Па. И Al, и Ni спуттерили при 90 Вт, давая скорости осаждения ≈15 нм мин⁻¹ и ≈10 нм мин⁻¹ соответственно. Это производило билиферную толщину ~25 нм (≈15 нм Al + 10 нм Ni) и общую толщину пленки ~4 мкм, сохраняя общий 1:1 атомный соотношение (3:2 толщинное соотношение). Для сравнения конвенциональные 500 нм билиферные Al/Ni РМФ также осаждались при идентичных условиях. 20 нм медный слой спуттерили сверху для улучшения электрического контакта к керамическому втулке.

Микроплазменный генератор фабриковался стандартной МЭМС обработкой. 0,5-мм толстый 4-дюймовый Al₂O₃ вефер чистили последовательно ацетоном, изопропанолом и деионизированной водой в ультразвуковой ванне, затем выпекали при 100 °C 30 мин. После кислородной плазменной очистки осаждали энергетическую суперрешетку. Позитивный фоторезист (AZ5214E) центрифугировали при 5000 об/мин 60 с и пре-выпекали при 100 °C 90 с. УФ экспозиция (16 мДж см⁻²) следовала развитием в NaOH создавав бантиковый мост образец. Структура травили в алюминиевом травлите (Al Etchant Type A, Transene) при 30 °C до глубины ~4 мкм. После дайсинга остаточный фоторезист удаляли ацетоном, и чип монтировали на керамическую втулку для завершения генератора.

Поперечно-сечение структура изучалась ТЭМ. Микроплазменный генератор затем энергизировали 0,22 мкФ конденсатором, заряженным к 2,9–4,1 кВ. Ток-напряжение волновые формы захватывали Роговским катушкой и высоковольтным зондом, записываемые на осциллографе. Одновременно плазменная эволюция записывала ультра-высокоскоростная камера (SIM, SIL3001-00-H06) используя 10 нс экспозицию и 20–50 нс интер-кадровый интервал, в то время как световая интенсивность мониторилась фотодиодом. Синхронизация тайминга между импульсным генератором, камерой и осциллографом достигалась цифровым генератором задержки (DG535). Дополнительно скорость флайера измеряли фотонной доплеровской велоциметрией (ФДВ) управляя 30 мкм Kapton флайером с бантиковым мостом.

Результаты и обсуждение

Рисунок 3a показывает яркопольное ТЭМ изображение энергетической Al/Ni суперрешетки. Периодический билиферный стек четко разрешен, с ≈15 нм Al и ≈10 нм Ni слоями. Выборка-областная электронная дифракция подтверждает хорошо-определенную поликристаллическую структуру для обеих фаз. В противовес, Рисунок 3d иллюстрирует более толстые 500 нм билиферные РМФ, где слойный контраст заметно менее выражен из-за увеличенного перемешивания.

Рисунок 4a представляет эволюцию напряжения, тока, световой интенсивности и энергии для 3,5 кВ заряженного конденсатора. Начальное Джоулево нагревание поднимает температуру моста, вызывая постепенный рост напряжения. Когда температура переходит порог, Al/Ni слои испаряются и ионизируются, создавая низкосопротивляемый плазменный путь, который скачкообразно повышает ток и резко снижает напряжение. Этот взрывной переход сопровождается острым всплеском света, указывающим на формирование плазмы.

Рисунок 4b фиксирует плазменное расширение в реальном времени. Начальная Джоулева фаза нагрева длится ~168 нс. В ~218 нс внезапный скачок напряжения совпадает с интенсивным световым излучением через бантиковый мост, отмечая начало испарения. Пиковое напряжение в ~258 нс сигнализирует о взрыве и генерации плазмы, за которым следует быстрое расширение, способное производить ударную волну. Отсутствие дискретных продуктов горения предполагает равномерный взрыв, движимый плазмой.

Интегрируя вольт-амперные характеристики для зарядовых напряжений между 2,9 кВ и 4,1 кВ, мы извлекли время задержки (T_b) и критическую взрывную энергию (E_c). Как показано на Рисунке 5a, T_b уменьшается с более высоким зарядовым напряжением, в то время как E_c увеличивается. Этот тренд указывает, что более высокий электрический энерговывод сокращает задержку зажигания и повышает энергию, необходимую для полного взрыва. Более однородное распределение тока при 4,1 кВ объясняет сокращенную задержку и увеличенную критическую энергию.

Измерения скорости флайера раскрывают четкую зависимость от зарядового напряжения. Как изображено на Рисунке 6a, максимальная скорость растет от ~2,3 км с⁻¹ при 2,9 кВ до >3,0 км с⁻¹ при 4,1 кВ. Эти скорости заметно выше, чем полученные от 500 нм билиферных РМФ, подтверждая превосходную энергоплотность суперрешетки. Модель энергии Гёрни, связывающая скорость флайера с энергией на единицу массы, доставляемой плазмой, предсказывает, что более высокая плотность взрывного тока должна давать более высокую скорость. Однако экспериментальные данные показывают обратный тренд для конвенциональных РМФ, подразумевая, что химическая реакция Al/Ni суперрешетки — усиленная формированием плазмы — вносит дополнительную энергию сверх чисто электрического ввода.

Заключение

Мы продемонстрировали, что Al/Ni суперрешетка с 25 нм билиферной толщиной, фабрикованная магнетронным спуттерингом на Al₂O₃, может функционировать как высокоэффективный микроплазменный генератор. Под 0,22 мкФ конденсатором, заряженным до 4,1 кВ, прибор демонстрирует быстрый электро-взрывной отклик, производящий плазму за <300 нс, генерируя скорости флайера превышающие 3 км с⁻¹. Эти скорости превосходят 500 нм Al/Ni РМФ, подтверждая, что химическая реакция суперрешетки вносит значительный вклад в плазменное расширение. Результаты указывают, что энергетические Al/Ni суперрешетки — перспективные кандидаты для микро- и нано-плазменных инициаторов, предлагающие улучшенную энергопередачу и системную надежность для передовых применений.

Аббревиатуры

RMFs

Реактивные многослойные фолии

TEM

Трансмиссионная электронная микроскопия