《薄膜材料2.pptVIP

第二章 真空技术基础 概 述 1643年，意大利物理学家托里折利演示了著名的大气压实验，为人类揭示了“真空”这个物理状态的存在。 20世纪初，真空技术获得了飞速发展，被广泛应用于军事及民用领域。 真空技术是制备薄膜的基础。几乎所有薄膜材料的制备都是在真空或较低气压条件下进行的。 真空的定义：在给定空间内，气体压强低于一个大气压的气体状态。 绝对真空：完全没有气体的空间状态。 真空的基本知识 真空的基本知识 怎样表示真空程度？ 真空度 压强 气体分子密度：单位体积中气体分子数 气体分子的平均自由程 形成一个分子层所需的时间等 真空度的单位 毫米汞柱（mmHg）：使用最早、最广泛的压强单位，它是通过直接度量长度来获得真空的大小。 托（Torr）：在标准状态下，1毫米汞柱对单位面积上的压力，1Torr=1mmHg。 1971年，国际计量会议正式确定“帕斯卡”作为气体压强的国际单位，1Pa=1N/m2?7.5?10-3Torr。 粗真空（Pa） 1?105 ~1?102 低真空（Pa） 1?102 ~1?10-1 高真空（Pa） 1?10-1~1?10-6 超高真空（Pa） 1?10-6 气体与蒸气 各种物质的临界温度 §2.1 气体分子运动论的基本概念 一、气体分子的运动速度及其分布 气体分子运动论的理论：气体的大量分子每时每刻都处于无规则的热运动之中，其平均运动速度取决于气体所具有的温度。同时，在气体分子之间以及气体分子与容器壁之间，发生着不断的碰撞过程。这种碰撞过程的结果之一是使气体分子的速度服从一定的统计分布。 理想气体 对于实际气体的性质进行适当简化后提出的一种模型。气体分子之间除了碰撞的瞬间之外，完全不存在相互作用，既它们可以被看作是相互独立的许多硬球。且这些气体分子硬球的半径远远小于球与球之间的距离。 在一般温度和压力下，所有气体都可以被看作是理想气体。 麦克斯韦尔-玻耳兹曼（Maxwell-Boltzmann）分布 M为气体分子的相对原子质量；T为热力学温度；R为气体常数。 气体分子的速度取决于分子的相对原子质量与气体热力学温度的比值。 气体分子的速度具有很大的分布区间。 温度越高、气体分子的相对原子质量越小，分子的平均运动速度越大。 气体分子的平均运动速度 不同种类气体分子的平均运动速度只与T/M的平方根成正比。 在常温条件下， 一般气体分子的运动速度是很高的。T=300K，空气分子的平均运动速度va?460m/s。 气体的压力和气体分子的平均自由程 气体的压力：气体分子与容器器壁的不断碰撞对外表现为气体具有一定的压力。 理想气体的压力p与气体的热力学温度成正比： 分子平均自由程：气体分子在两次碰撞的间隔时间里走过的平均距离。 假设某种气体分子的有效截面直径为d，则该气体分子的平均自由程等于 平均碰撞频率：va/? 常温、常压条件下，每个空气分子每秒中内要经历1010次碰撞。气体分子的运动轨迹并不是一条直线，而是一条不断碰撞的同时不断改变方向的折线。 在气体压力低于0.1Pa时，气体分子之间的碰撞几率很小，气体分子的碰撞主要是与容器器壁之间的碰撞。 碰撞次数与余弦定律 气体分子从表面的反射－余弦定律 余弦定律的重要意义在于： 气体分子的通量 定义：气体分子对于单位面积表面的碰撞频率，即单位面积上气体分子的通量。 单位时间内，单位面积表面受到气体分子的碰撞次数： 薄膜的沉积速度正比于气体分子的通量。 固体材料与气体的界面 实际表面：暴露于大气环境中的固体表面，或经切割、研磨、抛光、清洗等加工处理，保持在常温、常压或低真空，或高温下的表面。 清洁表面：不存在任何污染的化学纯表面，经过如轰击、高温脱附、超高真空条件下的解理等特殊处理后，保持在10-9～10-6Pa超高真空下，外来污染少到不能用一般表面分析方法探测的表面。 在高真空环境中，清洁表面被环境中的气体分子污染所需要的时间 §2.2 真空的基本知识 真空区域的划分 气体分子运动性质： 粗真空下，气态空间近似为大气状态，分子仍以热运动为主，分子之间碰撞十分频繁； 低真空是气体分子的流动逐渐从黏滞流状态向分子状态过渡，此时分子之间和分子与器壁之间的碰撞次数差不多； 高真空时气体分子的流动已为分子流，气体分子与容器器壁之间的碰撞为主，碰撞次数大大减少，在高真空下蒸发的材料，粒子将沿直线飞行； 超高真空时，气体分子数更少，几乎不存在分子间的碰撞，分子与器壁的碰撞机会更少。 真空蒸发法 沉积薄膜所需要的真空度属于高真空和超高真空（1?10-3Pa）。 溅射沉积技术和低压化学气相沉积技术需要的真空度分别为中、高真空范围（ 10-2~10Pa ）和中、低真空范围（ 10~100Pa ）。 电子显微分析 技