第真空技術(shù)基礎(chǔ)

1、Thin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)-1-本課程討論的對(duì)象：什么是薄膜（Thin film）？本課程的討論對(duì)象是什么 ？ 相對(duì)尺度：某一維尺寸 其余二維尺寸； 絕對(duì)尺度：在此維度上材料厚度 5 m 的沉積層叫什么 ？ 一般稱為涂層 (Coatings) 具有結(jié)構(gòu)/功能特性的固態(tài)薄膜（thin solid films）！Thin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)-2-學(xué)化物理學(xué)材料學(xué)涉及階段長(zhǎng)大形核凝結(jié)形成，可分為薄膜在基片上伴隨復(fù)雜物理化學(xué)過(guò)程 特性性能成分結(jié)構(gòu)形成機(jī)制制備技術(shù)料的主要研究：各

2、種薄膜材 真空技術(shù)已經(jīng)成為一門獨(dú)立的前沿學(xué)科。真空技術(shù)已經(jīng)成為一門獨(dú)立的前沿學(xué)科。 真空技術(shù)是最基本的薄膜制備技術(shù)真空技術(shù)是最基本的薄膜制備技術(shù)，因制備過(guò)程，因制備過(guò)程需要真空環(huán)境，所以首先需要掌握真空的基本知識(shí)。需要真空環(huán)境，所以首先需要掌握真空的基本知識(shí)。Thin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)-3-1 真空技術(shù)基礎(chǔ)真空與薄膜材料與技術(shù)有何關(guān)系？ 幾乎所有的現(xiàn)代薄膜材料制備都需要在真空或較低的氣壓條件下進(jìn)行 都涉及真空下氣相的產(chǎn)生、輸運(yùn)和反應(yīng)過(guò)程 了解真空的基本概念和知識(shí)，掌握真空的獲得和測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí) 是了解薄膜材料制備技術(shù)的基礎(chǔ)！1.

3、1 真空的基本知識(shí)中學(xué)物理內(nèi)容：1643年 托里切利 (Torricelli) 著名的大氣壓實(shí)驗(yàn) 為人類首次揭示了 真空 這個(gè)物理狀態(tài)的存在！ 管內(nèi)水銀柱上方空間內(nèi)，因已排除空氣的存在而形成真空 (托里切利真空) 圖中A、B、C三點(diǎn)壓力相等，A、C點(diǎn)：大氣壓；B點(diǎn)：水銀柱產(chǎn)生的壓力 換句話說(shuō)：可用水銀柱產(chǎn)生的壓力 作為 大氣壓力 的量度! 把高度為760 mm的水銀柱所產(chǎn)生的壓力定義為1個(gè)大氣壓 (1 atm) 1 atm = 760 mmHg ！結(jié)果：得到了“真空”的定義和大氣壓的定義與量度依據(jù)！Thin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)-4-

4、1 真空技術(shù)基礎(chǔ)1.1 真空的基本知識(shí)概念：利用外力將一定密閉空間內(nèi)的氣體分子移走， 使該空間內(nèi)的氣壓小于 1 個(gè)大氣壓， 則該空間內(nèi)的氣體的物理狀態(tài)就被稱為真空。注意：真空，實(shí)際上指的是 一種低壓的、稀薄的氣體狀態(tài)， 而不是指“沒(méi)有任何物質(zhì)存在”！因此，真空可分為現(xiàn)代真空技術(shù)的極限：每 cm3空間內(nèi)僅有數(shù)百個(gè)氣體分子 對(duì)應(yīng)氣壓 10-11 Pa思考題：常溫常壓下，每cm3空間內(nèi)有多少個(gè)氣體分子？提示：可由Avogadro常數(shù)推算 (6.021023個(gè)/22.4103cm3 2.71019 個(gè)/cm3)備獲得的容器內(nèi)真空人為真空：利用真空設(shè)存在的真空宇宙真空：宇宙空間內(nèi)Thin Film Ma

5、terials & Technologies薄膜材料與技術(shù)-5-1 真空技術(shù)基礎(chǔ)1.1 真空的基本知識(shí)1.1.1 真空度的單位 真空的實(shí)質(zhì)：一種低壓氣體物理狀態(tài) 真空度采用氣體壓強(qiáng)表征 真空度的單位 = 氣體壓強(qiáng)的單位 注意：真空度和氣壓的意義相反 真空度 意味著 氣壓 主要單位制 換算基礎(chǔ)：1 N105 dyne0.225 lbf 1 atm760 mmHg（torr）1.013105 Pa1.013 baratm 760/1 mmHg 1 torr1mmHgin/lbf 1 PSI 1FPSdyne/cm 10 bar 1 CGSm/N 1 Pa 1SIMKS2262制）毫末汞柱制

6、（制）英制（制）厘米克秒制（制）制，即國(guó)際單位制（Thin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)-6-1 真空技術(shù)基礎(chǔ)1.1 真空的基本知識(shí)1.1.1 真空度的單位 不同真空度單位制間的換算關(guān)系：說(shuō)明：1、mmHg是人類使用最早、最廣泛的壓強(qiáng)單位； 1958年為紀(jì)念托里切利，用托（torr）代替了mmHg：1 torr1 mmHg 2、早期的真空度計(jì)量常以 torr 或 mbar 為單位； 目前隨著標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的推進(jìn)，SI（MKS）制單位應(yīng)用日漸廣泛 真空度用 Pa 作單位torr/mmHgPabaratmPSI1 torr(1 mmHg)1.3331

7、02(1.013105/760)1.33310-3(1.013/760)1.31610-3(1/760)1.933710-21 Pa7.50110-3(760/1.013105)10-59.86910-6(1/1.013105)1.450410-41 bar7.5011021059.86910-11.45041011 atm760.01.0131051.0131.46961011 PSI51.71496.89481036.894810-26.804610-2Thin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)-7-1 真空技術(shù)基礎(chǔ)1.1 真空的基本知識(shí)1.

8、1.2 真空區(qū)域的劃分真空區(qū)域：指不同的真空度范圍； 劃分目的：為了研究真空和實(shí)際應(yīng)用的便利； 劃分依據(jù)：按照各個(gè)壓強(qiáng)范圍內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)特征的不同進(jìn)行劃分； 劃分準(zhǔn)則：理論上，可依據(jù)Knudsen數(shù)的不同進(jìn)行劃分。相關(guān)物理：1）Knudsen數(shù)(克努森) 定義： 物理意義：是描述稀薄氣體流動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)數(shù)！ 分子平均自由程大于流場(chǎng)特征尺寸時(shí)的氣流稱為Knudsen流，其 Kn 一般 10！2）真空系統(tǒng)中氣體運(yùn)動(dòng)特征的理論劃分： 粘滯流（層流、Poiseuille泊肅葉流） 粘滯-分子流 分子流（自由分子流、Knudsen流） Kn 1 DKn 氣體分子的平均自由程氣體分子的平均自由程 流場(chǎng)特征尺寸（如

9、：管徑）流場(chǎng)特征尺寸（如：管徑）Thin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)-8-1 真空技術(shù)基礎(chǔ)1.1 真空的基本知識(shí)1.1.2 真空區(qū)域的劃分3）理想氣體狀態(tài)方程： ，式中：n 分子密度 (個(gè)/m3)； k 玻爾茲曼常數(shù)，1.3810-23 J/K； P 氣體壓強(qiáng) (Pa)； T 氣體溫度 (K)； V 氣體體積 (m3)； m 氣體質(zhì)量 (kg)； M 氣體分子量 (kg/mol)； R 普適氣體常數(shù)，R = NAk = 8.314 J/molK； NA Avogadro常數(shù)，6.021023 個(gè)/mol；4）氣體分子的自由程（）：每個(gè)氣體分

10、子在與其它氣體分子連續(xù)2次碰撞之間運(yùn)動(dòng)經(jīng)歷的路程。 平均自由程（ ）：氣體分子自由程的統(tǒng)計(jì)平均值。 式中： 分子直徑（m）；TnPkTmPVRMTnPkTPnk Avogadro定律：定律： 一定溫度、壓力下，各種氣體單位體積內(nèi)含有的分子數(shù)相同。PTn222k21表明：1） 與P成反比，而與 T 成正比；2）在氣體種類和溫度一定的情況下： constPThin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)-9-1 真空技術(shù)基礎(chǔ)1.1 真空的基本知識(shí)1.1.2 真空區(qū)域的劃分5）真空區(qū)域的工程劃分：空氣在室溫下滿足 )Pam(10667. 63PP (Pa)1

11、0510210-110-310-610-9 (m)6.66710-86.66710-56.66710-26.6676.6671036.667106尺度數(shù)十nm不到1 mcm量級(jí)若干米數(shù) km幾千kmKn1氣體分子流動(dòng)特征粘滯流過(guò)渡段分子流氣體分子運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)大氣狀態(tài)熱運(yùn)動(dòng)劇烈碰撞頻繁粘滯流分子流分子-分子與分子-器壁碰撞幾率相當(dāng)器壁碰撞為主粒子直線飛行分子數(shù)更少分子間無(wú)碰撞器壁碰撞幾率也低真空區(qū)域工程劃分 粗真空 低真空 高真空 超高真空 極高 真空Thin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)-10-1 真空技術(shù)基礎(chǔ)1.1 真空的基本知識(shí)1.1.3 氣

12、體的吸附及脫附 真空下，氣體在固體表面的吸附和脫附現(xiàn)象總是存在的！一、基本概念 氣體吸附：固體表面捕獲氣體分子的現(xiàn)象 氣體脫附：逆過(guò)程 氣體從固體表面釋出二、為什么需要關(guān)注（意義？）1）氣體在固體表面的吸附/脫附常常影響真空的實(shí)現(xiàn)和保持；2）吸附原理還被用來(lái)制作各種吸附泵來(lái)獲得高真空。三、吸附的主要機(jī)制： 物理吸附：分子間作用力引起、無(wú)選擇性、低溫有效、易脫附 化學(xué)吸附：僅當(dāng)氣固接觸生成化合物時(shí)發(fā)生、高溫有效、不易脫附四、可能的影響因素：P氣、T固、氣、表面光潔度、清潔度等，如：T固 易脫附！Thin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)-11-1

13、真空技術(shù)基礎(chǔ)1.1 真空的基本知識(shí)1.2 真空的獲得真空的獲得：就是所謂的“抽真空”！ 利用各種真空泵把容器內(nèi)的空氣抽出，使其內(nèi)部壓強(qiáng)保持在 1 atm的特定壓強(qiáng)范圍！獲得真空的主要工具 各種真空泵（Pump）！真空泵的分類?？臻g內(nèi)的氣體分子吸除吸氣材料和裝置將被抽氣體捕獲泵：利用各種泵達(dá)到排氣的目的。體不斷吸入并排出真空氣體輸運(yùn)泵：通過(guò)將氣Thin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)-12-1 真空技術(shù)基礎(chǔ)1.2 真空的獲得真空泵的分類及常用工作壓強(qiáng)范圍說(shuō)明：從大氣壓力開始抽氣，沒(méi)有一種真空泵可以涵蓋從1 atm到10-8 Pa的工作范圍 真空泵

14、往往需要多種泵組合構(gòu)成復(fù)合抽氣系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)以更高的抽氣效率達(dá)到所需的高真空！氣體輸運(yùn)泵旋片式機(jī)械泵（Rotary Pump）單級(jí)：1051 Pa 雙級(jí)：10510-2 Pa羅茨泵（Booster Pump / Roots Pump）10310-1 Pa 油擴(kuò)散泵（Diffusion Pump）110-6 Pa 渦輪分子泵（Turbomolecular Pump）110-8 Pa 。氣體捕獲泵濺射離子泵（Ion Pump）10-310-11 Pa 鈦升華泵（Titanium Sublimation Pump）10-310-11 Pa 低溫冷凝泵（Cyro Pump）10-410-11 Pa 吸附泵

15、（Sorption Pump）10210-3 Pa 。Thin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)-13-1 真空技術(shù)基礎(chǔ)1.2 真空的獲得1.2.1 旋片式機(jī)械泵（Rotary Pump）（a）外觀（b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)（c）工作原理1、擴(kuò)張（吸氣）2、容積最大3、壓縮4、排氣機(jī) 械 泵：利用機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)或滑動(dòng)形成的輸運(yùn)作用獲得真空的泵。分 類：旋片式（最常見(jiàn)）、定片式、滑閥式運(yùn)轉(zhuǎn)模式：吸氣 壓縮 排氣 （不斷循環(huán)）基本特點(diǎn)：需加真空油（密封用）；可從大氣壓開始工作； 真空度要求低 可單獨(dú)使用；真空度要求高 作為 前級(jí)泵 使用工作區(qū)間：?jiǎn)渭?jí)：1051

16、 Pa；雙級(jí)：10510-2 Pa優(yōu)、缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠；有油污染的問(wèn)題。雙級(jí)機(jī)械泵示意圖Thin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)-14-1 真空技術(shù)基礎(chǔ)1.2 真空的獲得1.2.2 油擴(kuò)散泵（Diffusion Pump）（a）外觀（b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)（c）工作原理真空油歷經(jīng)循環(huán)：蒸發(fā) 噴射 碰撞 冷凝 回流工作原理：1）將真空油加熱到高溫蒸發(fā)狀態(tài)（約200）；2）讓油蒸汽分多級(jí)向下定向高速噴出；3）大量油滴通過(guò)撞擊將動(dòng)能傳遞給氣體分子；4）氣體分子向排氣口方向運(yùn)動(dòng)，并在動(dòng)壓作用下排出泵體；5）油氣霧滴飛向低溫介質(zhì)冷卻的泵體外壁，被冷卻凝結(jié)成

17、液態(tài)后返回泵底部的蒸發(fā)器。Thin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)-15-1 真空技術(shù)基礎(chǔ)1.2 真空的獲得1.2.2 油擴(kuò)散泵（Diffusion Pump）（d）典型高真空系統(tǒng)組合前級(jí)：羅茨泵 + 機(jī)械泵 后級(jí)：油擴(kuò)散泵高真空閥和冷阱阻止油氣回流的Baffle工作區(qū)間：110-6 Pa（因此需要前級(jí)機(jī)械泵提供1 Pa的出口壓力）優(yōu) 點(diǎn)：1）造價(jià)較低的高真空泵方案；2）沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件。缺 點(diǎn)：油蒸汽回流有可能污染真空系統(tǒng)（不宜在分析儀器和超高真空?qǐng)龊鲜褂茫?。Thin Film Materials & Technologies薄膜材料

18、與技術(shù)-16-1 真空技術(shù)基礎(chǔ)1.2 真空的獲得1.2.3 渦輪分子泵（Turbomolecular Pump）（a）外觀（b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)（c）工作原理工作原理：1）泵內(nèi)交錯(cuò)布置轉(zhuǎn)向不同的多級(jí)轉(zhuǎn)子和定子；2）轉(zhuǎn)子葉片以20k60k r/min的高速旋轉(zhuǎn)；3）葉片通過(guò)碰撞將動(dòng)能不斷傳遞給氣體分子；4）氣體分子被賦予動(dòng)能后被逐級(jí)壓縮排出。工作區(qū)間：110-8 Pa 也需前級(jí)泵提供1 Pa的出口壓力，但可提供更高真空度優(yōu) 點(diǎn)：無(wú)油、抽速較高。缺 點(diǎn)：1）抽取低原子序數(shù)氣體能力較差； 2）造價(jià)高；3）不易維護(hù)。Thin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)-1

19、7-1 真空技術(shù)基礎(chǔ)1.2 真空的獲得1.2.4 低溫吸附泵（Cyropump）（a）外觀（b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)多級(jí)深冷頭示意圖工作原理：利用20K以下的超低溫表面來(lái)凝聚氣體分子以實(shí)現(xiàn)抽氣。 1）初級(jí)冷頭（外側(cè)溫度 = 5080 K）：吸附 水氣、CO2 等； 2）多級(jí)深冷頭（T 10-1 Pa時(shí)，氣體分子數(shù) 電子與氣體分子的碰撞幾率 同時(shí)電子能量、自由程 氣體電離趨于飽和 IC P 的線性關(guān)系不再成立！因此，普通電離真空計(jì)的工作上限為10-1 Pa。解決方法：1）大幅度降低電極間間隔（3 mm）； 2）提高燈絲（發(fā)射極）電位到+45 V， 同時(shí)提高離子收集極電位到 0 V。此類改進(jìn)工作上限的電離真空計(jì)由Schulz和Phelps提出，被稱為S-P型，其工作上限可提高到10 Pa，但同時(shí)由于強(qiáng)化了前述的軟X射線導(dǎo)致的光電效應(yīng)，工作下限也相應(yīng)提高到10-2 Pa?。╞）B-A型Thin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)-24-1 真空技術(shù)基礎(chǔ)1.3 真空的測(cè)量1.3.3 電離真