真空获得和真空镀膜-张中月

真空与薄膜技术真空镀膜技术是一种新颖的材料合成与加工的新技术，是表面工程技术领域的重要组成部分。真空镀膜技术是利用物理、化学手段将固体表面涂覆一层特殊性能的薄膜，从而使固体表面具有耐磨损、耐高温、耐腐蚀、抗氧化、防辐射、导电、导磁、绝缘和装饰等许多优于固体材料本身的优越性能，达到提高产品质量、延长产品寿命、节约能源和获得显著技术经济效益的作用。因此真空镀膜技术被誉为最具有发展前途的重要技术之一，并已在高技术产业化的发展中展现出有人的市场前景。真空与薄膜技术真空技术：是建立低于大气压力的物理环境，已经在此环境中进行工艺制作、物理测量和科学试验等所需的技术。薄膜技术：是与薄膜制备、薄膜测试等相关的各种技术的总称。真空与薄膜技术真空应用真空获得真空测量真空检漏薄膜物理薄膜制备薄膜表征薄膜器件真空技术薄膜技术参考书目：1、超高真空技术邱爱叶邵健中编著浙江大学出版社1991年8月出版2、半导体薄膜技术与物理叶志镇吕建国吕斌张银珠编著浙江大学出版社2008年9月出版3、薄膜材料-制备原理、技术及应用唐伟忠编著冶金工业出版社2003年1月出版真空技术第一章真空物理实例：真空热阻蒸发第一节真空的性质一、真空的定义“真空”：译自拉丁文Vacuo，即是虚无。在指定的空间内，低于一个大气压力的气体状态，统称为真空。气体密度越小，真空度越高。常见的真空应用？物理真空：没有任何实物粒子存在的空间，但是什么都没有的空间是不存在的。工业真空：指气压比一个标准大气压小的气体空间，是指稀薄的气体状态。二、真空度的定义真空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值表示。气体压力的本质：气体分子与容器器壁的不断碰撞？真空的单位：在真空科学的不同学科领域中，由于传统习惯的差异，采用的压强单位也不同，目前常用的有以下几种：(1)毫米汞柱(mmHg):在0C时，1毫米汞柱作用在单位面积的力。1mmHg=13.6g/cm21标准大气压(atm)=760mmHg(2)托(Torr):1Torr=1mmHg(3)帕斯卡(Pa):压强的国际单位制1Pa=1牛顿/米2=7.5X10-3Torr(4)巴(bar):1bar=105Pa真空的分类四、真空的作用三、真空的性质减少蒸发分子与残余气体分子的碰撞抑制反应1、降低了气体的化学活泼性，有利于储存活性金属和利用金属的特性；2、延长了固体表面沉积气体分子层的时间，有利于分析研究清洁表面和测定气体层的作用；3、减少了带电粒子在电场、磁场或电磁场作用下运动的碰撞损失；4、改变了大气压下靠分子间相互作用发生的物理过程，如热、声和气体密度本身等的传播过程。五、真空技术的作用真空状态下，气体分子在一定时间内碰撞于固体表面上的次数减少，这将导致其具有一系列新的物化特性，如：热传导与对流小氧化作用少气体污染小汽化点低高真空的绝缘性能好真空技术的作用：是基本的实验技术之一在近代尖端科学技术，如表面科学、薄膜技术、空间科学、高能粒子加速器、微电子学、材料科学等工作中都占有关键的地位，其应用越来越广泛。第二节真空的气体动力学模型真空环境是一种低气压状态，其状态方程为：PV=NkT气体动力学理论能够解释真空性质与气压间的关系。理论假设：(1)气体分子可以用不停地杂乱无章运动的硬球表示；(2)分子间以及分子与真空容器壁之间只发生弹性碰撞从这些假设出发演绎出的许多关系和准则表明：动力学理论完全能够解释气体的性质，甚至预示气体性质。2.1压强压强的本质：大量杂乱运动分子碰撞容器表面所引起的动量改变率就是气体对表面的压强。231rmsmnvpm：分子质量n：单位容积内的分子数rmsv：所有分子速度的方均根2.2分子的动能和速度由231rmsmnvpNkTPVnkTkTVNP为使动力学理论与实验结果相一致，即：nkTP必有：mkTvrms3分子的动能：mkTvrms3因为质量为m，速度为的粒子的动能为：rmsvkTmvErms23212即：动力学理论把气体分子的平均动能与气体的绝对温度联系起来了。分子的平均速度：分子间不断地相互碰撞，使处于稳态的气体形成确定的速度分布。在平衡状态下的单位体积内，在球坐标系所确定的速度空间中，速度体积元是：ddvdvsin2按照统计物理学的Maxwell速度分布定律，处在速度体积元的分子数为：ddvdvekTmndnkTmvvsin)2(222/32ddvdvekTmndnkTmvvsin)2(222/32得到速度间隔内的分子数：ddvdvekTmndnkTmvvsin)2(222/30202dvvekTmkTmv222/32)2(4这是不考虑速度方向而处在相邻速度球壳之间的分子数。dvvekTmdnkTmvv222/32)2(4按概率密度的定义，有Maxwell速度分布函数：kTmvevkTmvf222/32)2(4)(0)(dvvdfmkTvp2最概然速率：kTmvevkTmvf222/32)2(4)(利用概率密度求平均值的方法，得到气体分子的平均速度：mkTvm220)(dvvvfvmT=300K时，空气分子的平均运动速度为460m/skTmvevkTmvf222/32)2(4)(利用概率密度求平均值的方法，得到气体分子的平均动能：kTm2302)(21dvvfmvmkTvaveragemm23)(212mkTvrms32.3入射到表面的分子数通常需要知道单位时间内轰击到真空中单位面积上的分子数,即碰壁数。dxxv单位时间内同dσ碰撞的速度在v附件dv范围内的分子都以dσ为底面，vx为高的斜桶内。故分子数为：dxxv单位时间内同dσ碰撞的各种速度的总分子数ΔN应为分子数对vx0和所有vy和vz积分。dvvfndvdvvvndvxx)()(ddvdvdvvekTmnzyxxkTvvvzyx/)(212/3222)2(dxxvzkTmvzykTmvyxkTmvxdvevdvevdvevdkTmnNzyx/210/21/212/3222)2(dmkTnN2/1)8(41碰壁数：mvnmkTndN41841泄流2.4平均自由程气体分子杂乱运动使它们彼此间发生相互碰撞，分子碰撞之间的平均飞行距离，称为平均自由程。在稳态下，气体内同类分子间碰撞的平均自由程：212dnd:是分子球的直径常温、常压的条件下，空气分子的有效截面直径约为0.5nm，此时，其平均自由程约为50nm。表明，在常温、常压下，气体分子的平均自由程是极短的。分子碰撞：随着气体压强或密度的减小，增大，在某些压强下平均自由程将大于真空容器的尺寸；这时，分子与器壁间的碰撞多于分子间的碰撞，于是气体经过真空系统的流通便是自由分子流。平均碰撞频率=分子平均运动速度/平均自由程每个空气分子每秒要经历10^10次碰撞，定向运动的速度很慢。不同压强下N2的平均自由程、入射到单位面积上的分子数和单分子层的形成时间压强(Pa)10510-410-610-810-10n2.7x10192.7x10102.7x1082.7x1062.7x104f2.8x10232.8x10142.8x10122.8x10102.8x1086x10-66x1036x1056x1076x1093x10-19s3s5min8.5hour35dayn=分子数/cm3,在0C时；f=入射分子数/cm2,在0C、s-1时；=自由程，cm为单位；=单分子层形成时间，粘附几率为1第三节气体经真空系统的流动3.1质量流抽真空：就是从容器内抽除气体质量；抽气率：即质量流，取决于压强下降率；质量流(或质量流率)：若容器内起初包含分子质量为m的分子数为N，则抽气时的质量变化率为：dtNmddtdM)(质量流(或质量流率)：dtNmddtdM)(NkTPVQkTmdtPVdkTmdtkTmPVddtdM)()(dtPVdQ)(气流率，是一个易测量，气流率的单位：Pam3s-1因为：所以：定义：质量流率与气流率的关系式：QkTmdtdMdtPVdQ)(质量流率：气流率：单位：Pam3s-13.2流导在恒温下，当存在压差时，便会发生气体经小孔或管道的流动。在自由分子流情况下，经管道的气流量Q正比于压差，即：)()(21PPCdtPVdQC是比例常数，与管道的直径有关，称为流导,单位为m3/s流导(C1和C2)的并联：流导(C1和C2)的串联：21CCC2121CCCCC1C2C流导流导)()(21PPCdtPVdQ定义式：3.2.1小孔的流导T,P1T,P2两个大容器靠‘没有’厚度的直径远小于分子平均自由程的小孔相联。若此容器充分大，使通过小孔的气流对容器内分子的分布不产生严重影响，则在每个容器内各处的压强可以认为是均匀的。截面面积为AT,P1T,P2泄流分子数：mkTPAmkTkTPAAmkTnAvnvA2284141nkTPkTPnT,P1T,P2设两个容器的温度相同，但一个的内压强大于另一个(如P1P2),则在稳流条件下，单位时间内从高气压到低气压的净分子流数为：mkTAPPmkTAPmkTAPvv2)(22212121质量流：QkTmmkTAmPPdtdM2)(21有：APPmkTQ)(221)(21PPCQ因：得到小孔的流导：2/12/10)()2(mTkAC即小孔的流导是气体温度、气体种类和小孔面积的函数。3.2.2管道的流导分子流状态:分子主要与管壁相碰撞，而分子间则几乎不碰撞穿过半径为r、无限长管任何截面的气流量为：dxdPmkTrdtPVdQ2/13)3(34)(若管道无限长，但仍充分长，则出入口端的影响可以忽略，穿过任何截面的气流率仍然可以认为是常数，于是：LPPdxdP)(21L是管道长度高本辉，崔素言；真空物理，科学出版社，1983年。则长管道的流导为：21PPQCdxdPmkTrdtPVdQ2/13)3(34)(LPPdxdP)(212/12/13)()2(34mTkLrCLT)(21PPCQT,P1T,P2则短管道的流导为：T,P1T,P2对于出入口端面和管壁面积相比拟的短管，其流导是管道和小孔流导的合成(串联)。2/12/10)()2(mTkAC2/12/13)()2(34mTkLrCLTrLCCCCCCLTLTST831000上次课的复习一、真空的定义在指定的空间内，低于一个大气压力的气体状态，统称为真空。二、气体压力的本质：气体分子与容器器壁的不断碰撞三、真空的分类：粗真空、低真空、高真空、超高真空和极高真空。105~103、103~10-1、10-1~10-6、10-6~10-12、10-12四、真空的单位：(1)毫米汞柱(mmHg):1标准大气压(atm)=760mmHg(2)托(Torr):1Torr=1mmHg=133Pa(3)帕斯卡(Pa):压强的国际单位制(4)巴(bar):1bar=105Pa五、入射到表面的分子数通常需要知道单位时间内轰击到真空中单位面积上的分子数，从动力学理论有：mkTpnvfm241六、平均自由程气体分子杂乱运动使它们彼此间发生相互碰撞，分子碰撞之间的平均飞行距离，称为平均自由程。212dn七、气流的流动状态：黏滞流状态：紊流状态，层流状态分子流状态:分子主要与管壁相碰撞，而分子间则几乎不碰撞八、不同压强下N2的平均自由程、入射到单位面积上的分子数和单分子层的形成时间压强(Pa)10510-410-610-810-10n2.7x10192.7x10102.7x1082.7x1062.7x104f2.8x10232.8x10142.8x10122.8x10102.8x1086x10-66x1036x