第一章薄膜制备的真空技术基础ppt课件.ppt

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1、第1章薄膜制备的真空技术基础1.真空的定义：真空泛指压力低于一个大气压的任何气态空间。1.1真空的基本知识2.真空度的单位“真空度”顾名思义就是真空的程度。是真空泵、微型真空泵、微型气泵、微型抽气泵、微型抽气打气泵等抽真空设备的一个主要参数。真空度实质上与气体压力是同一物理概念。真空度越高，即气体压力越小；反之真空度越低，即气体压力越大。真空度的上限就是一个标准大气压，即760毫米汞柱。1.1真空的基本知识---大气压(atm):标准的大气压力定义为1atm---帕(Pa):N/m2(常用单位：Pa)---巴(Bar):Dy/cm2,(常用单位：mBar)---乇

2、(Torr):1/760atm,(常用单位：Torr)处于平衡状态的理想气体分子，其热运动速度服从麦克斯韦尔-玻尔兹曼速率分布：所有气体分子热运动速度的算术平均值叫算术平均速度；把所有气体分子的速度的平方加起来，然后被分子总数除，再开方就得到均方根速度。它们的计算公式如下(平均速率是速率分布的数学期望值)：1.2气体分子运动论的基本概念温度越高、气体分子的相对原子质量越小，则分子的平均运动速度越大。1、气体分子的平均运动速度Va（1）（2）一些惰性气体在298.15K（25℃）的温度下的速率分布函数。y轴的单位为s/m，因此任何一段曲线下的面积（它表示速度处于那个

3、范围的概率）都是无量纲的。1.2气体分子运动论的基本概念2、气体的压力和气体分子的平均自由程1.2气体分子运动论的基本概念理想气体的压力p与气体分子的动能，或者说是与气体的热力学温度成正比。分子平均自由程λ：气体分子在两次碰撞的间隔时间里走过的平均距离。式中d为气体分子的有效截面直径。气体分子的平均自由程与气体分子的密度n成反比。（3）（4）1.2气体分子运动论的基本概念3、碰撞频率Ф（气体分子通量）：在单位时间,单位面积表面受到气体分子碰撞的次数。（5）（6）在薄膜材料的制备过程中，薄膜的沉积主要是通过气体分子对于衬底的碰撞过程来实现的。此时，薄膜的沉积速度正比

4、于气体分子通量。将式（2）和（3）代入上式，可以求出气体分子的通量：1.2气体分子运动论的基本概念真空度的划分：低真空：105～102Pa中真空：102～10-1Pa高真空：10-1～10-5Pa超高真空：<10-5Pa真空蒸发方法溅射沉积技术电子显微分析材料表面分析技术低压化学气相沉积技术当真空管道两端存在有压力差时，气体就会自动地从高压处向低压处扩散，便形成了气体流动。任何真空系统都是由气源(待抽容器)、系统构件(管道阀门等)及抽气装置(真空泵)组成的，气体从气源经过系统的构件向抽气口源源不断地流动，是动态真空系统的普遍特点。1.3气体的流动状态和真空抽速1.

5、3气体的流动状态和真空抽速1、气体的流动状态在高真空环境中，气体分子除了与容器器壁发生碰撞以外，几乎不发生气体分子间的碰撞过程。这种气体的流动状态被称为气体的分子流状态。分子流的特点是气体分子的平均自由程大于气体容器的尺寸或与其相当。当气体压力较高时，气体分子的平均自由程较短，气体分子间的相互碰撞较为频繁，这种气体的流动状态称为气体的黏滞流状态。1.3气体的流动状态和真空抽速上述两种气体流动状态间的界线可以借助一个无量纲的参数－－克努森（Knudsen）准数Kn来划分，定义为：Kn<1分子流状态Kn=1~110中间状态Kn>110粘滞流状态1.3气体的流动状态和真

6、空抽速黏滞流状态的气体流动模式复杂，在低流速的情况下，黏滞流状态的气流处于层流状态；在流速较高时，气体的流动状态转变为紊流状态。所谓层流状态，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。在流速较高的情况下，气体的流动不再能够维持相互平行的层流模式，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，这种气体的流动状态成为紊流状态。如下图所示。1.3气体的流动状态和真空抽速图1.3黏滞态气流的两种流动状态（a)－层流；（b)－紊流1.3气体的流动状态和真空抽速雷诺（Reynolds）准数Re是帮助判断气体流动状态的另一无量纲参数，定义为

7、：雷诺准数与气体流动状态之间的关系为：Re>2200紊流状态2200>Re>1200紊流和层流态Re<1200层流状态真空技术中，气体沿管道的流动状态可划分为如下几种基本形式：从大气压力下开始抽真空的初期，管道中气体压力和流速较高，气体的惯性力在流动中起主要作用，流动呈不稳定状态，流线无规则，并不时有旋涡出现，这种流动状态称为湍流(涡流，紊流)；随着流速和气压的降低，在低真空区域内，气流由湍流变成规则的层流流动，各部分具有不同速度的流动层，流线平行于管轴，气体的粘滞力在流动中起主导作用，此时气体分子的平均自由程λ仍远小于导管最小截面尺寸d，这种流态叫做粘滞流；当气

8、体流动进入