Reduzierte kinetische Modelle für die Abscheidung von Kohlenstoff aus der Gasphase

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Gegenstand dieses Vorhabens sind Modellreduktionsstrategien für die chemische Kinetik bei der Gasphasenabscheidung (CVD) und chemischen Gasphaseninfiltration (CVI) von Kohlenstoff, wobei verschiedene Systeme mit den Hauptkomponenten CH4, C2H4, C2H2 und C3H6 beispielhaft als Eduktgase betrachtet werden sollen. Ausgehend von detaillierten Reaktionsmechanismen für die Gasphasenkinetik und die Deposition werden reduzierte kinetische Modelle entwickelt, die dann zur Simulation des Gesamtsystems in CFD-Programmen (CFD – Computational Fluid Dynamics) implementiert werden.Die chemische Kinetik der Abscheidung von Kohlenstoff aus der Gasphase beinhaltet eine sehr große Anzahl verschiedener chemischer Spezies, die in mehreren tausend Elementarreaktionen miteinander reagieren. Da das zu lösende System von Erhaltungsgleichungen eine sehr hohe Dimension aufweist und zusätzlich die stark unterschiedlichen Zeitskalen eine Steifheit des Differentialgleichungssystems bedingen, verbietet sich eine detaillierte Simulation wegen des nicht zu bewältigenden Rechenzeitaufwandes. Das Ziel des beantragten Projektes ist deshalb, ausgehend von detaillierten Reaktionsmechanismen (sowohl für die Gasphasen- als auch für die Oberflächenprozesse) reduzierte Modelle abzuleiten, die die kinetischen Prozesse zuverlässig abbilden, jedoch zugleich einfach genug sind, um bei der numerischen Simulation effizient eingesetzt werden zu können. Hierzu soll eine zeitskalenbasierte Dimensionsreduktion der chemischen Kinetik unter Verwendung des Verfahrens der intrinsischen niedrigdimensionalen Mannigfaltigkeiten (intrinsic low-dimensional manifolds, ILDM) und verschiedenen Varianten des Verfahrens vorgenommen werden, bei dem nur der detaillierte Mechanismus, sowie der Grad der Vereinfachung bekannt sein müssen, während die Modellreduktion durch eine Entkoppelung der schnellen und langsamen Zeitskalen automatisch erfolgt. In Vorarbeiten wurde die Dynamik der chemischen Reaktionen bei der Gasphasenabscheidung von Kohlenstoff untersucht. Basierend auf den Ergebnissen, die zeigen, dass das System eine große Zeitskalenseparation aufweist, sollen im beantragten Projekt automatische Entkoppelungsverfahren für die langsamen und schnellen Zeitskalen, sowie Implementierungsstrategien für die reduzierten Modelle in CFD-Programmen entwickelt werden. Ziel ist die Bereitstellung reduzierter Kinetiken für den CVI/CVD-Prozess, die die chemische Kinetik in Abhängigkeit von wenigen Reaktionsfortschrittsvariablen beschreiben und dann zur Simulation und Optimierung von CVI und CVD-Prozessen genutzt werden.