薄膜技术的真空技术基础

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1、第一章薄膜技术的真空技术基础材料科学与工程学院纳米光电材料实验室朱归胜桂林电子科技大学材料科学与工程学院内容提要气体分子运动论的基本概念1真空获得的手段2真空度的测量3桂林电子科技大学材料科学与工程学引言问题1、是不是所有薄膜制备方法都需要在真空环境下？2、为什么在薄膜制备的过程中需要在真空环境？或者说真空环境在薄膜制备过程中的作用是什么？桂林电子科技大学材料科学与工程学引言问题1：薄膜技术与真空技术的关系薄膜材料的制备过程是:atombyatom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。例外：比如sol-gel技术，丝网印刷技术问题2:真空

2、在薄膜制备过程中的作用：（1）减少蒸发分子与残余气体分子的碰撞；（2）抑制它们之间的反应；桂林电子科技大学材料科学与工程学引言薄膜的气相沉积一般需要三个基本条件：热的气相源、冷的基板和真空环境。在寒冷的冬天，窗玻璃上往往结霜；人们乍一进入温暖的房间，眼镜片上会结露。不妨将上述“霜”和“露”看作气相沉积的“膜”，则火炉上沸腾水壶中冒出的蒸汽则是“热的气相源”，冰冷的窗玻璃和眼镜片则是“冷的基板”。那么，为什么真空环境也是薄膜气相沉积的必要条件呢？一般说来，工业上利用真空有下述几条理由：①化学非活性；②热导低；③与气体分子之间的碰撞少；④压力低。通过本章的学习，可以了

3、解真空环境对于薄膜气相沉积的必要性，并为真空获得、真空测量及真空应用等建立必要的理论基础。桂林电子科技大学材料科学与工程学2.1真空的基本知识1真空的定义真空泛指低于一个大气压的气体状态。与普通的大气压状态相比，分子密度较为稀薄，从而气体分子与气体分子，气体分子与器壁之间的碰撞几率要低些。曾存在两种不同的说法：一是真空就是“真的空了”，就是“什么也不存在的空间”。但目前即使用最先进的真空制备手段所能达到的最高真空度110-11Pa，每立方厘米体积中仍有3000个气体分子。因此它除了理论研究外，并无多大实际意义；另一种说法是“就真空使用者的目的而论的，只要该空间的气

4、体可以忽略不计，就可以认为是真空了。”桂林电子科技大学材料科学与工程学1.1真空的基本知识按上述第二种说法，比如炮弹在高于大气压的空间飞行是没有问题的，因此可以将高于大气压的空间看作是真空，而对于表面研究，10-8Pa才称得上是真空。宇宙空间所存在的“自然真空”；利用真空泵抽取所得的“人为真空”。绝对真空：完全没有气体的空间状态。为了获得真空至少需要能降低压强的设备——真空泵能盛放特定空间的装置——真空容器桂林电子科技大学材料科学与工程学1.1真空的基本知识2真空度的术语描述分子密度：如用阿伏加德罗数（在1℃和1大气压下，22.4L的空间中有61023个气体分子，

5、在110-8Pa压强下，1cm3中有355万个气体分子，相当于北京市人口的1/4。平均自由程：（气体分子人一次碰撞到下一次碰撞所飞距离的统计平均值）在110-8Pa压强下，25℃的空气，其平均自由程为509km，相当于北京到大连或北京到青岛间的距离，这就好比从北京到大连或北京到青岛的飞行过程中一次也不碰撞。桂林电子科技大学材料科学与工程学1.1真空的基本知识2真空度的术语描述入射频率：（单位时间碰撞（入射）到单位面积上的分子数）在110-8Pa压强下，25℃的空气，每1cm3的表面，平均每秒多到380亿次气体分子的碰撞。要是这些气体分子整齐地排列于固体表面，大约需

6、要3个小时。1cm3中的气体分子尽管超过350万个，而来回自由飞行的距离却大于500km，矛盾否？这些气体分子非常小，直径只有一亿分之四厘米，（0.4nm）,但运动速度极快（大约为步枪子弹的出口速度）桂林电子科技大学材料科学与工程学1.1真空的基本知识3真空度量单位在真空技术中，常用“真空度”习惯用语和“压强”物理量表示真空程度，通常说成“某空间的真空度为多大的压强”。某空间的压强越低意味着真空度越高，反之，压强高的空间则真空度低。气体分子密度、气体分子的平均自由程、形成一个分子层所需要的时间等也可以用来表示真空度。工程常用的换算：1atm=760Torr=103

7、3mbar=1013102Pa单位帕/Pa托/Torr毫巴/mba标准大气压1Pa17.5×10-31×10-29.87×10-61Torr133.311.3331.316×10-31mba1000.7519.87×10-41atm1.013×1057601.013×1031桂林电子科技大学材料科学与工程学1.1真空的基本知识4真空区域划分迄今为止，采用最高超的真空技术所能达到的最低压力状态大致为10-12Pa，大气压大约为105Pa,因此17个数量级的广阔的压力范围均在真空技术所涉及的范畴之内。不同真空区域的物理特性桂林电子科技大学材料科学与工程学1.1真空的基

8、本知识桂林