薄膜物理与技术 1-2章 真空技术基础与真空蒸发ppt课件.ppt

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1、薄膜物理与技术姜燕2011-2012学年第1学期第一章真空技术基础真空的基本知识稀薄气体的基本性质真空的获得真空的测量1.1真空的基本知识为了使被研究的样品不被周围气氛所污染，获取“原子清洁”的表面，薄膜制备和衬底表面形成过程往往是在真空或超高真空中进行的。目前，人们所广泛使用的薄膜制备系统都具有真空系统。真空：低于一个大气压的气体空间。1643年，意大利物理学家托里折利演示了著名的大气压实验，揭示了“真空”这一物理状态。两类真空自然真空和人为真空相对真空和绝对真空气体状体方程P－气体压强（Pa）；n－气体分子密度（

2、m-3）；k－1.38×10-23J/KT=293K，P=1.3×10-11Pa时，n=4×103/m31.1真空的基本知识P=105Pa，T=290K，n=2.461019分子/cm3绝对真空是不存在的！真空单位帕斯卡（Pascal）：Pa托（Torr）：1Torr=133.322Pa1Pa=7.5×10-3Torr旧的单位：mmHgTorrbaratm1.1真空的基本知识真空程度的表示真空度压强气体分子密度、气体分子平均自由程、形成一个分子层所需要的时间等法定计量单位最早使用、最广泛的纪念托里拆利单位帕/Pa托

3、/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几种压强换算关系1.1真空的基本知识粗真空1×105to1×102Pa低真空1×102to1×10-1Pa高真空1×10-1to1×10-6Pa超高真空<1×10-6Pa☞真空的划分1.1真空的基本知识气态空间近似为大气状态，分子以热运动为主，分子之间碰撞频繁。气体分子的流动从黏滞流状态向

4、分子状态过渡，气体对流现象消失，若在此情况下加热金属可以避免与气体化合；若加电场会产生导电现象。容器中分子数很少，分子平均自由程大于一般容器的线度，分子流动为分子流，分子与容器壁碰撞为主，在此真空下蒸发材料，粒子将按直线飞行。气体分子数更少，几乎不存在分子间碰撞，此时气体分子在固体表面上是以吸附停留为主。1.1真空的基本知识气体与蒸气气体的临界温度：高于此温度，气体无论如何都不会液化。高于临界温度的气态物质为气体，反之为蒸气。通常用室温来区分气体和蒸气：临界温度高于室温的为气体，临界温度低于室温的为蒸气。1.2稀薄气

5、体的基本性质理想气体定律真空技术中的稀薄气体性质上与理想气体相似，因此符合理想气体定律：1.波义尔定律2.盖·吕萨克定律3.查理定律4.理想气体状态方程m-气体质量；R-气体普适常数（8.314J/mol·K），R=NA·kNA-阿伏伽德罗常数（6.02×1023mol-1）一、气体分子的速率分布在平衡状态时，分布在任一速度区间v～v+dv内，分子的几率，满足麦克斯韦-波尔兹曼分布：麦克斯韦速度分布函数1.2稀薄气体的基本性质1.2稀薄气体的基本性质1.最可几速率（速率极大值?）2.平均速率3.均方根速率速度分布计算

6、分子运动平均距离计算分子平均动能1.2稀薄气体的基本性质二、平均自由程每个分子在连续两次碰撞之间的路程称为自由程；其统计平均值成为平均自由程。σ-分子直径；n－分子密度25℃时P=10-4Pa时，P=10-3Pa时，薄膜技术中最常用的真空度为10-4Pa，自由程大约是66米。即使再差，10-3Pa，自由程大约是6.6米。所以不需要考虑飞行中的薄膜材料和残存气体冲撞所产生的影响。1.2稀薄气体的基本性质三、碰撞次数与余弦散射率入射情况入射频率ν（入射通量或碰撞次数）：单位时间，在单位面积的器壁上发生碰撞的气体分子数赫兹

7、－克努曾公式示例气体分子密度标准状态：P=105Pa，n=2.461019分子/cm3P=1.310-8Pa，n=3.24105分子/cm3稀薄气体的基本性质20℃空气中，固体表面形成单原子层所需时间，取氮气：固体原子密度：单原子层原子面密度：稀薄气体的基本性质标准状态下撞击表面的气体原子在表面形成单原子层所需要的时间：在P=1.310-8Pa时，n=3.24105分子/cm3，则气体原子在表面形成单原子层所需要的时间：稀薄气体的基本性质1.2稀薄气体的基本性质反射情况碰撞于固体表面的分子，它们飞离表面的方

8、向与原入射方向无关，并按与表面法线方向成θ角的余弦进行分布。一个分子在离开其表面时，处于立体角dω中的几率为理论与实验研究证明了如下的余弦定律：1.2稀薄气体的基本性质余弦定律（又称克努曾定律），重要意义在于：它揭示了固体表面对气体分子作用的另一个方面，即分子原有的方向性彻底“消除”，均按余弦定律散射。分子在固体表面上要停留一定的时间，这是气体