终结版真空镀膜实验报告

真空工艺品镀膜摘要：通过在真空中对玻璃片进行镀膜，来了解真空镀膜的原理及具体操作。通过自己选材，设计，镀膜等一系列的过程，来提高自我的分析问题和解决问题的能力。关键字：真空度；镀膜；原子转移1引言真空镀膜指在真空中将金属或金属化合物沉积在基体表面上，从技术角度可分40年代开始的蒸发镀膜、溅射镀膜和70年代才发展起来的离子镀膜、束流沉积等四种。真空镀膜有以下优点：(1)、它可以用一般的金属（铝、铜）代替日益缺乏的贵重金属（金、银）并使产品降低成本，提高质量，节省原材料。(2)、由于真空分子碰撞少，污染少，可获得表面物理研究中所要求的纯洁、结构致密的薄膜。(3)、镀膜时间和速度可以准确的控制，所以可以得到任意厚度均匀或非均匀薄膜。(4)、被镀件和蒸镀物均可以是金属或非金属，镀膜时被镀件表面不受损坏，薄膜与基体具有同等的光洁度[1]。可以这样说，真空镀膜实验在某种意义上讲奠定了薄膜材料的基础，真空镀膜实验也成为近代物理实验或材料专业实验的重要一分子，它成为学生了解真空现象，掌握真空技术、应用真空条件进行工作的一把钥匙[2]。2真空蒸发镀膜原理任何物质在一定温度下，总有一些分子从凝聚态（固态、液态）变为气态离开物质表面，但固体在常温下，这种蒸发量是极小的。如果将固体材料置于真空中加热至材此材料蒸发温度时，在汽化热作用下材料的分子或原子具有足够的热振动能量去克服固体表面间的吸引力，并以一定的速度逸出变成气态分子或原子向四周迅速蒸发散射。当真空度高，分子自由程λ远大于蒸发器与被镀物的距离d时[一般要求=(2~3)d],材料的蒸气分子在散射途中才能无阻挡地直线到达被镀物和真空室表面。在化学（化学键引力起的吸附）作用下，蒸气分子就吸附在基片表面上。当基片表面温度低于某一临界温度，则蒸气分子在其表面凝结，即核化过程，形成“晶核”。当蒸气分子入射到基片上的密度较大时，晶核逐渐长大，而成核数目并不显著增多。由于后续的分子直接入射到晶核上，已吸收分子和小晶核迁移到一起形成晶粒，两个晶核长大到互相接触合并成晶粒等三个因素，使晶粒不断长大结合，构成一层网膜。当它的平均厚度增加到一定厚度后，在基片表面紧密结合而沉积成一层连续性薄膜。在平衡状态下，若物质克分子蒸发热ΔΗ与温度无关，则饱和蒸气压PS和绝对温度T有如下关系：PS=K•e(―ΔΗ/RT)式子中R为气体普适常数，K为积分常数。真空环境下，若物质表面的静压强为P，则单位时间内从单位凝聚相表面蒸发的质量，即蒸发率为Γ=5.833×10－2α（M/T）½(PS－P)式中α为蒸发系数，M为克分子量，T为凝聚相物质的温度。若真空度很高（P≈0）时蒸发的分子全部被凝结而没有返回蒸发源，并且蒸发出向外飞行的分子也没有因相互碰撞而返回，此时蒸发率为Γ=5.833×10－2α（M/T）½(PS)=5.833×10－2α（M/T）½•K•e（－ΔΗ／RT）根据数学知识从上式可知，提高蒸发率Γ主要决定于上式指数因式，因而温度T的升高将使蒸发率迅速增加。在室温T=293°K，气体分子直径σ=3.5×10－8cm时，由气体分子动力学可以知气体分子平均自由程可以表示为=（2½Π•σ²•n）－1=k•T／(2½Π•σ²•P)≈5×10－3／P式中k为波尔兹曼常数，n为气体分子密度。气体压强p为帕时，的单位为米。根据上式可以列出下表P(帕)100010010110－110－210－3λ（m）5×10－65×10－55×10－45×10－35×10－25×10－15从表中看出，当真空度高于1×10－2Pa是，大于50cm；在蒸发源到被镀物d为15cm~20cm情况下，满足λ=（2~3）d。因此将真空镀膜室抽到1×10－2Pa以上真空度，方可得到牢固纯洁的薄膜[1]。3材料的清洗清洗一般是除去物质表面不需要的不干净的物质，如物理污染物（油脂、灰尘等）。被镀波玻璃基片、钨蒸发器、铜条、玻璃鈡罩等材料、配件的清洁程度直接影响薄膜的牢固性和均匀性，波玻璃片和蒸发器、铜条表面的任何微量的灰尘、油斑杂质及植物纤维等都会大大降低薄膜附着力，并使薄膜出现花斑和过大过多的针孔，不久会自然脱落。所以，加强清洗是非常必要的。清洗上述污染物的方法有很多，如机械清洗、溶剂浸渍冲洗、电化学清洗、离子轰击清洗、超声波清洗等。对不同的材料，不同的污染物，清洗的方法也不同。钨蒸发器的清洗方法：先用自来水冲去灰尘，放入浓度为20%的氢氧化钠溶液中煮10分钟，除去表面的氧化物和油脂，达到见钨发亮为止；然后用自来水冲洗，浸在离子水（蒸馏水）中冲洗，取出后用无水乙醇脱水烘干即可。玻璃片的清洗方法：用去污粉擦去一般油污和灰尘;然后用用无水乙醇擦洗，然后吹干即可。玻璃钟罩的清洗方法：用浓度约为30%的氢氧化钠溶液擦洗掉镀上的铝膜，然后用自来水、蒸馏水冲洗，最后用无水乙醇脱水烘干便可[1]。4实验装置与实验过程4.1实验装置真空镀膜装置原理图如图1所示。图1真空镀膜装置原理图图2设计的图案4.2实验过程4.2.1实验前期准备购买玻璃，考虑到在实验室镀完膜后，容易脱落，为了更好的保存此次实验品。我决定用有盖的玻璃来进行此次试验；图案选自点点网中的LisaRodden的作品，一位澳大利亚艺术家。选择的理由：此立体剪纸作品综合利用了剪纸、绘画、折纸三种艺术手法，创作出了很多奇妙精美的3D作品。她运用简单的重复和排列在纸张上营造出了美丽并且富有节奏的韵律，配合细致流畅的镂空线条和光影的感觉让作品中的生物或图形显得栩栩如生，一下子跃然纸上让人不免心动。图案如图2所示。4.2.2镀膜过程1、放入镀件，关K14，开机械泵电源。2、按顺序开K12、K11、K10。3、开真空器电源，当真空度为5Pa时，给扩散泵通水、通电。4、关K12，当真空度到5×10—3时，开蒸发电源，调蒸发调节使蒸发，开始镀膜。5、镀膜完毕后，关真空计，关K10，打开K14，取出镀件。镀膜完毕后，若要连续镀膜，则进行第6步；若要结束镀膜，则进行第8步。6、放入镀件，关K14、K11，打开真空计，然后打开K12（慢慢开到头）。7、当真空度为5Pa时，关K12、开K11、K10。接第4步。8、蒸发结束，关蒸发电源，关扩散泵电源，关K10、K14，30分钟后关K11，然后关机械泵电源。5成品展示经过镀膜制作出的工艺品如图3所示。图2镀制的成品6实验结果分析在使用油扩散泵时，有许多的注意事项和前提条件：第一，在开油扩散泵之前，必须确定冷却水已经接通，并且在实验过程中，必须时刻保持警惕，确保每个时刻冷却水都畅通无阻并保持一定的流量。第二，油扩散泵的工作基础是5Pa，因此，在没有确保初真空的基础上，不可以打开油扩散泵工作。第三，油扩散泵在使用结束后，冷却水不能马上关闭，应该再通三十分钟左右的冷却水，使扩散泵内部冷却到室温。更为重要的是两种真空计的使用注意事项：（1）在实验刚开始阶段，机械泵对储气瓶和真空室分别抽气，此时，不能够打开电离真空计，因为其工作的基础是10-3帕。所以，我们可以使用电偶真空计对两个地方的真空度进行测定，了解机械泵的抽气情况。（3）电离真空计由于其基础真空度的要求，在实验中的使用就要非常小心，归结起来有三方面：在打开前要确保真空度符合要求；使用时要高度警惕，预先做出判断，先关闭，以免烧坏；关闭时要首先关真空计。玻璃片镀膜的好坏主要看亮度和膜的厚度，好的镀膜成果就像我们生活中看到的镜子一样。经过分析，膜的好坏是由以下几个方面来决定的：（1）红铜的粗细。铜丝太粗的话在受热后容易掉下去，所以应尽量选择细铜丝。本实验中最优的方案就是采用一小段一小段的挂在丝状蒸发器上，这样能最大程度的防治掉落，。（2）对载玻片的处理。在镀膜之前，应该用无水乙醇对玻片进行反复仔细的擦拭，再用电吹风吹干，玻片上的杂物肯定会影响到镀膜的质量。（