真空技术基础-课件

,Thin Film Materials & Technologies,薄膜材料与技术,材料科学与工程学院,2008,西安理工大学,Xian University of Technology,-,*,-,本课程讨论的对象：,什么是薄膜（,Thin film,）？,本课程的讨论对象是什么 ？, 相对尺度：某一维尺寸,其余二维尺寸；, 绝对尺度：在此维度上材料厚度,5 m,的沉积层叫什么 ？,一般称为涂层,(Coatings),具有结构,/,功能特性的固态薄膜（,thin solid films,）！,本课程讨论的对象：什么是薄膜（Thin film）？本课程的,本课程的研究内容,薄膜材料与技术,本课程的研究内容薄膜材料与技术,1,真空技术基础,真空与薄膜材料与技术有何关系？,几乎所有的现代薄膜材料制备都需要在真空或较低的气压条件下进行,都涉及真空下气相的产生、输运和反应过程,了解真空的基本概念和知识，掌握真空的获得和测量技术基础知识,是了解薄膜材料制备技术的基础！,1.1,真空的基本知识,中学物理内容,：,1643年,托里切利,(,Torricelli,),著名的大气压实验,为人类,首次,揭示,了,真空,这个,物理状态,的存在,！,管内水银柱上方空间内，因已排除空气的存在而形成真空,(,托里切利真空,),图中,A,、,B,、,C,三点压力相等，,A,、,C,点：大气压；,B,点：水银柱产生的压力,换句话说：,可用,水银柱产生的压力,作为,大气压力,的量度,!,把高度为,760 mm,的水银柱所产生的压力定义为,1,个大气压,(1 atm), 1 atm = 760,mmHg,！,结果：得到了“真空”的定义和大气压的定义与量度依据！,1 真空技术基础真空与薄膜材料与技术有何关系？中学物理内容,1,真空技术基础,1.1,真空的基本知识,概念：,利用外力将,一定密闭空间内,的气体分子移走， 使该空间内的,气压小于,1,个大气压,， 则该空间内,的气体的物理状态,就被称为,真空,。,注意：,真空，实际上指的是,一种低压的、稀薄的气体状态，,而,不是指“没有任何物质存在”！,因此，真空可分为,现代真空技术的极限：,每,cm,3,空间内仅有数百个气体分子,对应气压,10,-11,Pa,思考题：常温常压下，每,cm,3,空间内有多少个气体分子？,提示：可由,Avogadro,常数推算,(6.0210,23,个,/22.410,3,cm,3,2.710,19,个,/cm,3,),1 真空技术基础1.1 真空的基本知识,1,真空技术基础,1.1,真空的基本知识,1.1.1,真空度的单位,真空的实质：一种低压气体物理状态,真空度采用气体压强表征,真空度,的单位,=,气体压强的单位,注意：真空度和气压的意义相反,真空度,意味着 气压,主要单位制,换算基础：,1 N,10,5,dyne,0.225 lbf,1 atm,760 mmHg,（,torr,）,1.01310,5,Pa,1.013 bar,1 真空技术基础1.1 真空的基本知识,1,真空技术基础,1.1,真空的基本知识,1.1.1,真空度的单位,不同真空度单位制间的换算关系：,说明：,1,、,mmHg,是人类使用最早、最广泛的压强单位；,1958,年为纪念托里切利，用托（,torr,）代替了,mmHg,：,1 torr,1 mmHg,2,、早期的真空度计量常以,torr,或,mbar,为单位； 目前随着标准化进程的推进，,SI,（,MKS,）制单位应用日渐广泛,真空度用,Pa,作单位,1 真空技术基础1.1 真空的基本知识,1,真空技术基础,1.1,真空的基本知识,1.1.2,真空区域的划分,真空区域：,指不同的真空度范围；,划分目的：,为了,研究,真空,和,实际,应用的便利,；,划分依据：,按照各个压强范围内,气体运动特征,的不同进行划分；,划分准则：,理论上，可依据,Knudsen,数,的不同进行划分,。,相关,物理,：,1）,Knudsen,数,定义：,物理意义：是描述稀薄气体流动状态的准数！,分子平均自由程大于流场特征尺寸时的气流称为,Knudsen,流，其,K,n,一般, 10,！,2,）真空系统中气体运动特征的理论划分：,粘滞流（层流、,Poiseuille,流）,粘滞,-,分子流,分子流（自由分子流、,Knudsen,流）,K,n, 1,气体分子的平均自由程,流场特征尺寸（如：管径）,1 真空技术基础1.1 真空的基本知识相关物理： 气,1,真空技术基础,1.1,真空的基本知识,1.1.2,真空区域的划分,3,）,理想气体状态方程,：,，,式中：,n,分子密度,(,个,/m,3,),；,k ,玻尔兹曼常数，,1.3810,-23,J/K,；,P,气体压强,(Pa),；,T,气体温度,(K),；,V,气体体积,(m,3,),；,m,气体质量,(kg),；,M ,气体分子量,(kg/mol),；,R ,普适气体常数，,R = N,A,k = 8.314 J/molK,；,N,A, Avogadro,常数，,6.0210,23,个,/mol,；,4）,气体分子的自由程（,）：每个气体分子在与其它气体分子连续,2,次碰撞之间运动经历的路程。,平均自由程（ ）：气体分子自由程的统计平均值。,式中：,分子直径（,m,）；,Avogadro,定律：,一定温度、压力下，各种气体单位体积内含有的分子数相同。,表明：,1,） 与,P,成反比，而与,T,成正比；,2,）在气体种类和温度一定的情况下：,1 真空技术基础1.1 真空的基本知识3）理想气体状态方,1,真空技术基础,1.1,真空的基本知识,1.1.2,真空区域的划分,5,）真空区域的工程划分：空气在室温下满足,记忆方法,：,“5,2-168(159)”,1 真空技术基础1.1 真空的基本知识5）真空区域的工程,1,真空技术基础,1.1,真空的基本知识,1.1.3,气体的吸附及脱附,真空下，气体在固体表面的吸附和脱附现象总是存在的！,一、基本概念,气体吸附：固体表面捕获气体分子的现象,气体脱附：逆过程,气体从固体表面释出,二、为什么需要关注（意义？）,1）,气体在固体表面的吸附,/,脱附常常影响真空的实现和保持,；,2）,吸附原理还被用来制作各种吸附泵来获得高真空。,三、吸附的主要机制：,物理吸附：分子间作用力引起、无选择性、低温有效、易脱附,化学吸附：仅当气固接触生成化合物时发生、高温有效、不易脱附,四、可能的影响因素：,P,气,、,T,固,、,气,、表面光洁度、清洁度等，如：,T,固,易,脱附！,1 真空技术基础1.1 真空的基本知识,1,真空技术基础,1.1,真空的基本知识,小结（课后作业）：,1,、真空如何定义（概念）？如何表征？有哪些单位制？如何换算？,2,、为什么要划分真空区域？其依据是什么？关键参数如何定义？,3,、工程上如何划分真空区域？各个真空区域的气体分子的物理运动特征如何？,4,、什么是吸附和脱附？为什么要关注？其主要机制和影响因素有哪些？,1.2,真空的获得,真空的获得：,就是所谓的,“,抽真空,”,！,利用各种真空泵把容器内的空气抽出，使其内部压强保持在,1 atm,的特定压强范围！,获得真空的主要工具,各种真空泵（,Pump,）！,真空泵的分类,1 真空技术基础1.1 真空的基本知识,1,真空技术基础,1.2,真空的获得,真空泵的分类及常用工作压强范围,说明：,从大气压力开始抽气，没有一种真空泵可以涵盖从,1 atm,到,10,-8,Pa,的工作范围,真空泵往往需要多种泵组合构成复合抽气系统,实现,以更高的抽气效率达到所需的高真空！,1 真空技术基础1.2 真空的获得,1,真空技术基础,1.2,真空的获得,1.2.1,旋片,式,机械泵（,Rotary Pump,）,（,a,）外观,（,b,）内部结构,（,c,）工作原理,1,、扩张（吸气）,2,、容积最大,3,、压缩,4,、排气,机 械 泵：,利用机械运动,部件,转动,或,滑动,形成的输运作用获得真空的泵。,分 类：,旋片式,（最常见）,、定片式、滑阀式,运转模式：,吸气,压缩,排气,（不断循环）,基本特点：,需加真空油（密封用）；可从大气压开始工作； 真空度要求低,可,单独使用；真空度要求高,作为,前级泵,使用,工作区间：,单级：,10,5,1 Pa,；双级：,10,5,10,-2,Pa,优、缺点：,结构简单、工作可靠；,有油污染的问题。,双级机械泵示意图,1 真空技术基础1.2 真空的获得（a）外观（b）内部结,1,真空技术基础,1.2,真空的获得,1.2.2,油扩散泵,（,Diffusion Pump,）,（,a,）外观,（,b,）内部结构,（,c,）工作原理,真空油历经循环：,蒸发,喷射,碰撞,冷凝,回流,工作原理：,1,）将真空油加热到高温蒸发状态（约,200,）；,2,）让油蒸汽分多级向下定向高速喷出；,3,）大量油滴通过撞击将动能传递给气体分子；,4,）气体分子向排气口方向运动，并在动压作用下排出泵体；,5,）油气雾滴飞向低温介质冷却的泵体外壁，被冷却凝结成液态后返回泵底部的蒸发器。,1 真空技术基础1.2 真空的获得（a）外观（b）内部结,1,真空技术基础,1.2,真空的获得,1.2.2,油扩散泵,（,Diffusion Pump,）,（,d,）典型高真空系统组合,前级：罗茨泵,+,机械泵 后级：油扩散泵,高真空阀和冷阱,阻止油气回流的,Baffle,工作区间：,1,10,-6,Pa（因此需要前级机械泵提供1 Pa的出口压力）,优 点：,1,）造价较低的高真空泵方案；,2,）没有机械运动部件。,缺 点：油蒸汽回流有可能污染真空系统（不宜在分析仪器和超高真空场合使用）。,1 真空技术基础1.2 真空的获得（d）典型高真空系统组,1,真空技术基础,1.2,真空的获得,1.2.3,涡轮分子泵（,Turbomolecular Pump,）,（,a,）外观,（,b,）内部结构,（,c,）工作原理,工作原理：,1,）泵内交错布置转向不同的多级转子和定子；,2,）转子叶片,以20k60k r/min的高速旋转,；,3,）,叶片,通过碰撞将动能不断传递给气体分子；,4,）,气体分子,被赋予动能后被,逐级压缩,排出。,工作区间：,1,10,-,8,Pa,也需前级泵提供1 Pa的出口压力，,但,可提供更高真空度,优 点：无油、抽速较高。,缺 点：,1,）抽取低原子序数气体能力较差；,2,）造价高；,3,）不易维护。,1 真空技术基础1.2 真空的获得（a）外观（b）内部结,1,真空技术基础,1.2,真空的获得,1.2.4,低温吸附泵（,Cyropump,）,（,a,）外观,（,b,）内部结构,多级深冷头示意图,工作原理：,利用20K以下的超低温表面来凝聚气体分子以实现抽气。,1）初级冷头,（外侧温度,= 5080 K,）：吸附 水气、,CO,2,等；,2）多级深冷头,（,T,10,-1,Pa,时，气体分子数,电子与气体分子的碰撞几率, 同时,电子能量,、,自由程,气体电离趋于饱和,I,C,P,的线性关系不再成立！,因此，普通电离真空计的工作上限为,10,-1,Pa,。,解决方法：,1,）大幅度降低电极间间隔（,3 mm,）；,2,）提高灯丝（发射极）电位到,+45 V,， 同时提高离子收集极电位到,0 V,。,此类改进工作上限的电离真空计由,Schulz,和,Phelps,提出，被称为,S-P,型，其工作上限可提高到,10 Pa,，但同时由于强化了前述的软,X,射线导致的光电效应，工作下限也相应提高到,10,-2,Pa,！,（,b,）,B-A,型,1 真空技术基础1.3 真空的测量（a）S-P型工作上下,1,真空技术基础,1.3,真空的测量,1.3.3,电离真空计（,Ionization Gauge,）,小结：,1,）电离真空计的工作范围：,普通三极型：,10,-6,10,-1,Pa,；,B-A,型：,10,-8,10,-1,Pa,（高真空适用）；,S-P,型：,10,-2,10 Pa,（低真空适用）,2,）特 点：,可快速、连续测量；,不适于低真空测量（改进的,S-P,型也要求,P ,10 Pa,）；,测量结果与气体种类有关；,需要定期除气处理。,课后作业：,真空计如何分类？图示说明至少,2,种常用真空计的工作原理、工作范围、适用场合以及优、缺点。,1 真空技术基础1.3 真空的测量小结：,1,真空技术基础,1.3,真空的测量,1.3.4,薄膜真空计（,Capacitance Manometer,）,工作原理：,依靠金属薄膜在气体压力差下产生机械 位移测量气体的绝对压力。,1,）利用金属薄膜将容器分隔为两部分，上半部充入 压力已知的气体，下半部与待测真空腔连通；,2,）薄膜两侧存在压差时，薄膜在压力作用下发生变 形，使薄膜与固定极板的间距发生变化，从而使 极间电容发生变化，测得电容变化即可反求得到 薄膜偏移量，然后反推压力差。,工作范围：,下限10,-3,Pa，上限取决于薄膜强度和位 移极限，一般在10,5,10,3,Pa之间。,应用场合：,适用于工作气体具有腐蚀性的真空环境测量,。,特点：,1,）,测得的是绝对压力；,2）,测量精度很高，且与气体种类无关,；,3,）,对环境温度非常敏感，必须作好温控。,4,）尽管属于绝对真空计，仍然需要精确地校正后才能使用。,薄膜真空计的结构及工作原理示意图,1 真空技术基础1.3 真空的测量工作原理：依靠金属薄膜,