薄膜物理实用教案

1、1要要 点点 第1页/共77页第一页，共78页。2 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(yl)(yl)下制备的，都涉及到气相的产生、输运以及气相反应的过程。第2页/共77页第二页，共78页。3u 大气压: atm, kg/cm2, baru Pa: N/m2u Torr: mmHg1atm = 1000mbar1Torr = 133Pa薄膜技术领域薄膜技术领域(ln y)(ln y)：从：从10-7Pa10-7Pa到到105Pa105Pa，覆盖了，覆盖了1212个数量级个数量级第3页/共77页第三页，共78页。4在薄膜技术领域(ln y)，人为地将真空环境粗略地划分为:低真空

2、 102 Pa中真空 102 10-1 Pa高真空 10-1 10-5 Pa超高真空 50m，每个空气分子每秒钟内只经历(jngl)10次碰撞；气体分子间的碰撞几率已很小，气体分子的碰撞将主要是其与容器器壁之间的碰撞。第7页/共77页第七页，共78页。8 气体(qt)分子对单位面积表面的碰撞频率，称单位面积上气体(qt)分子的通量四、气体分子(fnz)(fnz)的通量（克努森KnudsenKnudsen方程）证明： 计算(j sun)(j sun)单位时间内碰撞于器壁或基板上小面积dAdA的分子数第8页/共77页第八页，共78页。9 由于分子运动的无规性，运动的各个(gg)(gg)方向机会均等

3、，因此，任何时刻分子运动方向在立体角中的几率为： 设dAdA与dd的法线夹角为，单位时间内，速率在vv+dvvv+dv间从立体角dd方向(fngxing)(fngxing)飞来碰撞于dAdA上的分子数目就是以dAcosdAcos为底，v v为高的圆筒中的分子数：4d第9页/共77页第九页，共78页。10dvdAnvvfdcos)(4 单位时间(shjin)(shjin)内从立体角dd方向飞来的各种速度的分子数，只需对上式积分即可求得dAvndvdvvfdAndcos4)(cos40 即碰撞于器壁dAdA上的分子数与分子飞来方向与dAdA法线夹角(ji jio)(ji jio)的余弦成正比。 任

4、何角度，单位时间(shjin)(shjin)内碰撞dAdA的总分子数只需对dd积分第10页/共77页第十页，共78页。11dAvnddndAvd4sincos4202/04vndAd所以任何(rnh)(rnh)角度，单位时间内碰撞dAdA的总分子数为：单位时间内碰撞于单位面积(min j)(min j)上的气体分子数为：dddsin第11页/共77页第十一页，共78页。12代入平均速度(pn jn s d)(pn jn s d)的表达式可得p 气体压力高时，分子频繁气体压力高时，分子频繁(pnfn)碰撞物体表面；碰撞物体表面；p 气体压力低时，分子对物体表面的碰撞可以忽气体压力低时，分子对物体

5、表面的碰撞可以忽略略第12页/共77页第十二页，共78页。13 假设每个向表面运动来的气体分子都是杂质，而每个杂质气体分子都会被表面所俘获，则可估计出不同的真空环境中，清洁表面被杂质气体分子污染所需要(xyo)的时间为：* * 清洁表面(biomin)(biomin)被污染所需时间pNMRTNNA2N 为表面(biomin)的原子面密度 第13页/共77页第十三页，共78页。14在常温在常温(chngwn)常压下：常压下： 10-9秒；秒；10-8Pa时：时： 10 小时小时 这一方面说明了真空环境的重要性。同时,气体分子通量还决定(judng)了薄膜的沉积速率。第14页/共77页第十四页，共

6、78页。15一、气体(qt)(qt)的流动状态1 1、分子(fnz)(fnz)流状态 气体分子除了与容器壁发生碰撞外，几乎不发生分子间的碰撞。分子的平均自由程大于气体容器的尺寸或与其相当（即气体主要是在分子和气壁之间碰撞过的程中流动）。第15页/共77页第十五页，共78页。16 气体分子间的碰撞(pn zhun)(pn zhun)较为频繁。分子的平均自由程较短（即气体主要是在分子间的碰撞(pn zhun)(pn zhun)过程中流动）。2 2、粘滞(zhn zh)(zhn zh)流状态 判断气体的流动(lidng)(lidng)状态可用克努森准数: :Kn110 粘滞流状态粘滞流状态110Kn

7、1 过渡状态过渡状态DKnD为容器的尺寸； 为气体分子的平均自由程第16页/共77页第十六页，共78页。17粘滞流状态 低流速时，为层流状态 流速较高时，为紊流状态 粘滞(zhn zh)态气流的两种不同的流动状态第17页/共77页第十七页，共78页。18 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。相邻的各流层之间一直维持(wich)着相互平行的流动方向。 在靠近容器壁的地方，气体分子受到器壁的粘滞力作用，其流动速度趋近于零；随着离开器壁距离的增加，气体的流动速度逐渐增加，在容器的中心处，气体流动速度最高。 在流速较高的情况在流速较高的情况(qngkung)下，气体的流动

8、不能再维持相互平行的层流状态模式，而会转变为一种漩涡式的下，气体的流动不能再维持相互平行的层流状态模式，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。流动模式，这时气流中不断出现一些低气压的漩涡。称为紊流状态称为紊流状态第18页/共77页第十八页，共78页。19 除流速除流速(li s)外也可用雷诺（外也可用雷诺（Reynolds）准数）准数Re判断气体的流动状态判断气体的流动状态: D-为容器为容器(rngq)特征尺寸；特征尺寸；v-为流速；为流速；-为密度；为密度；-为粘度系数。为粘度系数。vDRe Re2200 紊流状态(zhungti) Re100pa时，气体的热

9、导率将不再随压强变化而显著变化，所以此时测量的灵敏度迅速下降；在p后，气体分子热传导带走的热量，在总加热功率中所占的比例过小，测量灵敏度也迅速下降。第65页/共77页第六十五页，共78页。66特点：仪器结构简单、使用方便缺点：测量区域内，指示值呈非线性、测量结果与气体种类有关(yugun)、零点飘移严重。 2、皮拉尼真空(zhnkng)规 （热阻式真空(zhnkng)规） 利用测量热丝电阻值随温度的变化来测定(cdng)气压。第66页/共77页第六十六页，共78页。67二、电离(dinl)真空规 阴极发射的电子在飞向阳极的过程中碰撞气体分子，并使后者电离，由离子(lz)收集极接受电离的离子(l

10、z)，根据离子(lz)电流强度Ii的大小，就可以测量出环境真空度。第67页/共77页第六十七页，共78页。68 因为离子电流IiIi的大小将取决于阴极发射的电子电流强度IeIe、气体分子的碰撞截面(jimin)(jimin)以及气体分子密度（即压强p)p)等三个因素，在固定阴极发射电流和气体种类的情况下，离子电流强度将直接取决于电离气体的分子密度（即压力）。 其测量下限约为10-5pa10-5pa，受阴极发射(fsh)(fsh)的高能电子在离子收集极上产生光电子（形成虚假的离子电流）所限制。第68页/共77页第六十八页，共78页。69 适用压力范围(fnwi)10-110-5pa,(fnwi)

11、10-110-5pa,因为当压力大于10-1pa10-1pa时电子的平均自由程太小，气体不能电离，故不能反映气压。三、薄膜真空(zhnkng)规 是依靠金属薄膜在气体压力差作用下，产生机械位移(wiy)(wiy)来对压强进行测量。第69页/共77页第六十九页，共78页。70 薄膜真空规有两个被隔开的真空腔，当一个腔内压力已知，另一个腔压力未知的情况(qngkung)(qngkung)，薄膜的位移量将与两个腔内的压力差成正比。 薄膜的位移是依靠测量薄膜与另一金属电极间的电容C1 C1 的变化(binhu)(binhu)而实现的。第70页/共77页第七十页，共78页。71 其测量下限约为10-3p

12、a10-3pa，这相当于探测到薄膜位移只有一个原子(yunz)(yunz)尺度的大小；其测量上限受薄膜材料本身抗破坏性强度的限制。 特点：可用于气体绝对(judu)压力的测量，测量结果与气体种类无关第71页/共77页第七十一页，共78页。72 不同(b tn)种类真空规的压力适用范围第72页/共77页第七十二页，共78页。73第一章第一章 小结小结(xioji)(xioji)n薄膜材料在现代科技领域占有重要薄膜材料在现代科技领域占有重要(zhngyo)(zhngyo)的地的地位，可作为大家今后作为科学家或工程师的职业方位，可作为大家今后作为科学家或工程师的职业方向向n真空技术是现代薄膜材料技术

13、的基础真空技术是现代薄膜材料技术的基础n不同的薄膜制备方法涉及到不同的真空环境不同的薄膜制备方法涉及到不同的真空环境真空真空度度n不同的真空度需要采用不同的真空获得方法与真空不同的真空度需要采用不同的真空获得方法与真空测量方法测量方法第73页/共77页第七十三页，共78页。74基本概念复习基本概念复习(fx)(fx)u 为什么在薄膜制备技术的讨论中，先要讨论真空环境与真空技术？u 熟悉真空度的物理单位及其相互换算。u 根据气体流动状态所表现出的特性，我们是如何(rh)划分气体流动状态的？u 说明分子通量的物理意义？讨论分子通量是如何(rh)影响薄膜纯度和薄膜沉积速率的。u 了解真空泵的主要性能

14、指标。u 了解主要的真空泵种类。u 了解主要的真空测量方法。第74页/共77页第七十四页，共78页。75思思 考考 题题1、使用真空泵系统对30升的真空系统抽真空到 10-6Torr。关闭真空系统3分钟后，系统压力升至10-5Torr。 （1）求系统的压力升高率（TorrL/s) （2）求使用抽速为Sp=40L/s的真空泵时，系统可以达到的极限真空度。2.、为电子显微镜和真空退火炉（压力均为10-5 Torr) 选配真空泵和真空计。设D=50cm, 计算(j sun)克努森准数 和气体分子的运动状态。第75页/共77页第七十五页，共78页。76思思 考考 题题3. 设薄膜制备设备的气体输入速率为 75TorrL/min，若需要保持系统的 压力为1Torr, 求需要的真空泵抽气速率Sp。4. 证明：通孔A在分子流状态时的流导。5. 求证公式(gngsh)（1-24），即不同温度点处测量 出的气体压力不尽相同。第76页/共77页第七十六页，共78页。77感谢您的