Skip to main content
SUPERVISOR
سیدمحمد قریشی (استاد راهنما) جواد کریمی ثابت (استاد راهنما)
 
STUDENT
Ali Hosseini sajedy
علی حسینی ساجدی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391

TITLE

Simulation of Graphene Synthesis via Chemical VaporDeposition (CVD)
Nowadays graphene is a famous material that most researchers are working on its quality and domain size. One of the common methods that we can synthesize graphene with high quality and larger size is Chemical Vapor Deposition (CVD) method. In CVD process for graphene formation, reaction and process conditions affect the production rate of graphene. Pressure, temperature, substrate and partial pressure of reactant are these conditions that can vary along the CVD reactor. Simulation of this process can help scientists, researchers and engineers in understanding, developing and scale upping of these systems. In this investigation several factors that can affect the synthesis of graphene by using CVD has been studied. For illustration these factors, the process simulated by using Computational Fluid Dynamic (CFD) method and the commercial software, ANSYS Fluent 13. The methane was used as hydrocarbon precursor in presence of hydrogen, and argon as carrier gas with the flow rate of 0.5, 5 and 100 sccm, . The simulation was performed in various pressures and the temperature was varied from 700 to 1000 °C. 21 gas phase reactions and 8 surface reactions were considered. Among the various factors that have effects on the graphene growth, the gas phase component, the growth temperature, the operating pressure, the inlet concentration of hydrocarbon precursor gas and substrate site that are more important, was studied. First the temperature and velocity profiles in the reactor were illustrated, and then the gas species were analyzed. The result showed that at the beginning of the reactor, reactions did not perform duo to the low temperature but with increasing temperature, methane start to pyrolyze and produce several species. Among these species CH 3 and H were studied because of their importance. The graphene area coverage was considered as output parameter for studying how the temperature, the operating pressure, the inlet concentration of hydrocarbon precursor and the substrate site affect graphene growth. The result showed that increasing the temperature from 993 to 1273 °K, increase the graphene area coverage up to 77 percent. Also with moving toward the end of the reactor, the graphene area coverage increase. Also increasing the pressure first decreases the coverage then increases it. In the case of the inlet methane concentration, results showed that increasing the concentration, increases the surface coverage. Finally, by using the Surface Response Methodology and Box-Behnken Design, optimum condition for 100 percent coverage of graphene predicted for CVD proce 1185 °K, 413 Pa and the inlet molar fraction of 0.009 for methane. Keywords CVD, Graphene growth, Area coverage, CFD, Methane pyrolysis.
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 فشار های 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 CH 3 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. کلمات کلیدی: رسوب دهی شیمیایی بخار، رشد گرافن، پوشش سطحی، دینامیک سیالات محاسباتی، تجزیه متان.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی