薄膜物理课件

,单击此处编辑母版样式,单击此处编辑幻灯片母版样式,第二层,第三层,第四层,第五层,#,1,要 点,气体分子运动论的基本概念,真空获得的手段,真空度的测量,1要 点 气体分子运动论的基本概念,2,几乎所有的现代薄膜材料都是在真空或是在较低的气体压力下制备的，都涉及到,气相的产生、输运以及气相反应的过程,。,薄膜材料与真空技术,2 几乎所有的现代薄膜材料都是在真空或是在较低的气体压,3,大气压,:,atm, kg/cm,2, bar,Pa: N/m,2,Torr: mm,Hg,气体压力的单位与换算,1,atm = 1000mbar,= 0.1MPa,1Torr = 133Pa,薄膜技术领域：从,10,-7,Pa,到,10,5,Pa,，覆盖了,12,个数量级,3 大气压: atm, kg/cm2, bar气体压力的,4,在薄膜技术领域，人为地将真空环境粗略地划分为,:,低真空,10,2,Pa,中真空,10,2,10,-1,Pa,高真空,10,-1,10,-5,Pa,超高真空,50m,，,每个空气分子,每秒钟内只经历,10,次碰撞；,气体分子间的碰撞几率已很小，气体分子的碰撞将主要是其与容器器壁之间的碰撞。,7 空气分子的有效截面半径d 0.5nm。在常温常,8,气体分子对单位面积表面的碰撞频率，称单位面积上气体分子的通量,四、气体分子的通量（克努森,Knudsen,方程）,证明：,计算单位时间内碰撞于器壁或基板上小面积,d,A,的分子数,8 气体分子对单位面积表面的碰撞频,9,由于分子运动的无规性，运动的各个方向机会均等，因此，任何时刻分子运动方向在立体角中的几率为：,设,d,A,与,d,的法线夹角为,，单位时间内，速率在,vv+dv,间从立体角,d,方向飞来碰撞于,dA,上的分子数目就是以,dAcos,为底，,v,为高的圆筒中的分子数：,9 由于分子运动的无规性，运动的各个方向机会均等，因此，,10,单位时间内,从,立体角,d,方向飞来的各种速度的分子数，只需对上式积分即可求得,即碰撞于器壁,d,A,上的分子数与分子飞来方向与,d,A,法线夹角的余弦成正比。,任何角度，单位时间内碰撞,d,A,的总分子数只需对,d,积分,10 单位时间内从立体角d方向飞来的各种速度的分子数，,11,所以任何角度，单位时间内碰撞,d,A,的总分子数为：,单位时间内碰撞于单位面积上的气体分子数为：,11所以任何角度，单位时间内碰撞dA的总分子数为：单位时间内,12,代入平均速度的表达式可得,气体压力高时，分子频繁碰撞物体表面；,气体压力低时，分子对物体表面的碰撞可以忽略,12代入平均速度的表达式可得气体压力高时，分子频繁碰撞物体表,13,假设每个向表面运动来的气体分子都是杂质，而每个杂质气体分子都会被表面所俘获，则可估计出不同的真空环境中，清洁表面被杂质气体分子污染所需要的时间为：,*,清洁表面被污染所需时间,N,为表面的原子面密度,13 假设每个向表面运动来的气体分子都是杂质，,14,在常温常压下：,3.5,10,-9,秒；,10,-8,Pa,时：,10,小时,这一方面说明了真空环境的重要性。同时,气体分子通量还决定了薄膜的沉积速率。,14在常温常压下： 3.510-9秒；,15,1.2,气体的流动状态和真空抽速,一、气体的流动状态,1,、分子流状态,气体分子除了与容器壁发生碰撞外，几乎不发生分子间的碰撞。分子的平均自由程大于气体容器的尺寸或与其相当（即气体主要是在分子和气壁之间碰撞过的程中流动）。,151.2 气体的流动状态和真空抽速一、气体的流动状态1,16,气体分子间的碰撞较为频繁。分子的平均自由程较短（即气体主要是在分子间的碰撞过程中流动）。,2,、粘滞流状态,判断气体的流动状态可用,克努森准数,:,K,n,110,粘滞流状态,110,K,n,1,过渡状态,D,为容器的尺寸；,为气体分子的平均自由程,16 气体分子间的碰撞较为频繁。分子的平均自由程较短（即,17,粘滞流状态,低流速时，为层流状态,流速较高时，为紊流状态,粘滞态气流的两种不同的流动状态,17粘滞流状态 低流速时，为层流状态 流速较高时，为紊流状态,18,层流状态，相当于气体分子的宏观运动方向与一组相互平行的流线相一致。相邻的各流层之间一直维持着相互平行的流动方向。,在靠近容器壁的地方，气体分子受到器壁的粘滞力作用，其流动速度趋近于零；随着离开器壁距离的增加，气体的流动速度逐渐增加，在容器的中心处，气体流动速度最高。,在流速较高的情况下，气体的流动不能再维持相互平行的层流状态模式，而会转变为一种漩涡式的流动模式，这时气流中不断出现一些低气压的漩涡。,称为紊流状态,18 层流状态，相当于气体分子的宏观运动方向与一,19,除流速外也可用雷诺,（,Reynolds,）,准数,Re,判断气体的流动状态,:,D,-,为容器特征尺寸；,v-,为流速；,-,为密度；,-,为粘度系数。,Re,2200,紊流状态,Re,100pa,时，气体的热导率将不再随压强变化而显著变化，所以此时测量的灵敏度迅速下降；在,p,0.1pa,后，气体分子热传导带走的热量，在总加热功率中所占的比例过小，测量灵敏度也迅速下降。,65 在0.1100pa的压力范围内，气体的,66,特点,：仪器结构简单、使用方便,缺点：,测量区域内，指示值呈非线性、测量结果与气体种类有关、零点飘移严重。,2,、皮拉尼真空规,（热阻式真空规）,利用测量热丝电阻值随温度的变化来测定气压。,66特点：仪器结构简单、使用方便 2、皮拉尼真空规,67,二、,电离真空规,阴极,发射的电子,在飞向阳极的过程中碰撞气体分子，并使后者电离，由离子收集极接受电离的离子，根据,离子电流强度,I,i,的大小，就可以测量出环境真空度。,67二、电离真空规 阴极发射的电子在飞向阳极的,68,因为离子电流,I,i,的大小将取决于,阴极发射的电子电流强度,I,e,、,气体分子的碰撞截面,以及,气体分子密度,（,即压强,p,),等三个因素，在固定阴极发射电流和气体种类的情况下，离子电流强度将直接取决于电离气体的,分子密度（即,压力）,。,其测量下限约为,10,-5,pa,，受阴极发射的高能电子在离子收集极上产生光电子（形成,虚假的离子电流,）所限制。,68 因为离子电流Ii的大小将取决于阴极发射的电子电流,69,适用压力范围,10,-1,10,-5,pa,因为当压力大于,10,-1,pa,时电子的平均自由程太小，气体不能电离，故不能反映气压。,三、,薄膜真空规,是依靠金属薄膜在气体压力差作用下，产生机械位移来对压强进行测量。,69 适用压力范围10-110-5pa,因为当压力大,70,薄膜真空规有两个被隔开的真空腔，当一个腔内压力已知，另一个腔压力未知的情况，,薄膜的位移量,将与两个,腔内的压力差,成正比。,薄膜的位移是依靠测量薄膜与另一金属电极间的电容,C,1,的变化而实现的。,70 薄膜真空规有两个被隔开的真空腔，当一个腔内压力已,71,其测量下限约为,10,-3,pa,，这相当于探测到薄膜位移只有一个,原子尺度的大小,；其测量上限受薄膜材料本身抗破坏性强度的限制。,特点：,可用于气体绝对压力的测量，测量结果与气体种类无关,71 其测量下限约为10-3pa，这相当于探测到薄膜,72,不同种类真空规的压力适用范围,72 不同种类真空规的压力适用范围,73,第一章 小结,薄膜材料在现代科技领域占有重要的地位，可作为大家今后作为科学家或工程师的职业方向,真空技术是现代薄膜材料技术的基础,不同的薄膜制备方法涉及到不同的真空环境,真空度,不同的真空度需要采用不同的真空获得方法与真空测量方法,73第一章 小结薄膜材料在现代科技领域占有重要的地位，可作,74,基本概念复习,为什么在薄膜制备技术的讨论中，先要讨论真空环境与真空技术？,熟悉真空度的物理单位及其相互换算。,根据气体流动状态所表现出的特性，我们是如何划分气体流动状态的？,说明分子通量的物理意义？讨论分子通量是如何影响薄膜纯度和薄膜沉积速率的。,了解真空泵的主要性能指标。,了解主要的真空泵种类。,了解主要的真空测量方法。,74基本概念复习为什么在薄膜制备技术的讨论中，先要讨论真空环,75,思 考 题,1,、使用真空泵系统对,30,升的真空系统抽真空到,10,-6,Torr,。关闭真空系统,3,分钟后，系统压力升至,10,-5,Torr,。,（,1,）求系统的压力升高率（,Torr,L/s),（,2,）求使用抽速为,S,p,=40L/s,的真空泵时，系统可以达到的极限真空度。,2.,、为电子显微镜和真空退火炉（压力均为,10,-5,Torr),选配真空泵和真空计。设,D=50cm,计算,克努森准数,和气体分子的运动状态。,75思 考 题1、使用真空泵系统对30升的真空系统抽真空到,76,思 考 题,3.,设薄膜制备设备的气体输入速率为,75Torr,L/min,，若需要保持系统的,压力为,1Torr,求需要的真空泵抽气速率,S,p,。,4.,证明：通孔,A,在分子流状态时的流导。,5.,求证公式（,1-24,），即不同温度点处测量,出的气体压力不尽相同。,76思 考 题3. 设薄膜制备设备的气体输入速率为,