薄膜物理實(shí)用教案

1、1要要 點(diǎn)點(diǎn) 第1頁/共77頁第一頁，共78頁。2 幾乎所有的現(xiàn)代薄膜材料都是在真空或是在較低的氣體壓力(yl)(yl)下制備的，都涉及到氣相的產(chǎn)生、輸運(yùn)以及氣相反應(yīng)的過程。第2頁/共77頁第二頁，共78頁。3u 大氣壓: atm, kg/cm2, baru Pa: N/m2u Torr: mmHg1atm = 1000mbar1Torr = 133Pa薄膜技術(shù)領(lǐng)域薄膜技術(shù)領(lǐng)域(ln y)(ln y)：從：從10-7Pa10-7Pa到到105Pa105Pa，覆蓋了，覆蓋了1212個(gè)數(shù)量級(jí)個(gè)數(shù)量級(jí)第3頁/共77頁第三頁，共78頁。4在薄膜技術(shù)領(lǐng)域(ln y)，人為地將真空環(huán)境粗略地劃分為: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，每個(gè)空氣分子每秒鐘內(nèi)只經(jīng)歷(jngl)10次碰撞；氣體分子間的碰撞幾率已很小，氣體分子的碰撞將主要是其與容器器壁之間的碰撞。第7頁/共77頁第七頁，共78頁。8 氣體(qt)分子對(duì)單位面積表面的碰撞頻率，稱單位面積上氣體(qt)分子的通量四、氣體分子(fnz)(fnz)的通量（克努森KnudsenKnudsen方程）證明： 計(jì)算(j sun)(j sun)單位時(shí)間內(nèi)碰撞于器壁或基板上小面積dAdA的分子數(shù)第8頁/共77頁第八頁，共78頁。9 由于分子運(yùn)動(dòng)的無規(guī)性，運(yùn)動(dòng)的各個(gè)(gg)(gg)方向機(jī)會(huì)均等

3、，因此，任何時(shí)刻分子運(yùn)動(dòng)方向在立體角中的幾率為： 設(shè)dAdA與dd的法線夾角為，單位時(shí)間內(nèi)，速率在vv+dvvv+dv間從立體角dd方向(fngxing)(fngxing)飛來碰撞于dAdA上的分子數(shù)目就是以dAcosdAcos為底，v v為高的圓筒中的分子數(shù)：4d第9頁/共77頁第九頁，共78頁。10dvdAnvvfdcos)(4 單位時(shí)間(shjin)(shjin)內(nèi)從立體角dd方向飛來的各種速度的分子數(shù)，只需對(duì)上式積分即可求得dAvndvdvvfdAndcos4)(cos40 即碰撞于器壁dAdA上的分子數(shù)與分子飛來方向與dAdA法線夾角(ji jio)(ji jio)的余弦成正比。 任

4、何角度，單位時(shí)間(shjin)(shjin)內(nèi)碰撞dAdA的總分子數(shù)只需對(duì)dd積分第10頁/共77頁第十頁，共78頁。11dAvnddndAvd4sincos4202/04vndAd所以任何(rnh)(rnh)角度，單位時(shí)間內(nèi)碰撞dAdA的總分子數(shù)為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)碰撞于單位面積(min j)(min j)上的氣體分子數(shù)為：dddsin第11頁/共77頁第十一頁，共78頁。12代入平均速度(pn jn s d)(pn jn s d)的表達(dá)式可得p 氣體壓力高時(shí)，分子頻繁氣體壓力高時(shí)，分子頻繁(pnfn)碰撞物體表面；碰撞物體表面；p 氣體壓力低時(shí)，分子對(duì)物體表面的碰撞可以忽氣體壓力低時(shí)，分子對(duì)物體

5、表面的碰撞可以忽略略第12頁/共77頁第十二頁，共78頁。13 假設(shè)每個(gè)向表面運(yùn)動(dòng)來的氣體分子都是雜質(zhì)，而每個(gè)雜質(zhì)氣體分子都會(huì)被表面所俘獲，則可估計(jì)出不同的真空環(huán)境中，清潔表面被雜質(zhì)氣體分子污染所需要(xyo)的時(shí)間為：* * 清潔表面(biomin)(biomin)被污染所需時(shí)間pNMRTNNA2N 為表面(biomin)的原子面密度 第13頁/共77頁第十三頁，共78頁。14在常溫在常溫(chngwn)常壓下：常壓下： 10-9秒；秒；10-8Pa時(shí)：時(shí)： 10 小時(shí)小時(shí) 這一方面說明了真空環(huán)境的重要性。同時(shí),氣體分子通量還決定(judng)了薄膜的沉積速率。第14頁/共77頁第十四頁，共

6、78頁。15一、氣體(qt)(qt)的流動(dòng)狀態(tài)1 1、分子(fnz)(fnz)流狀態(tài) 氣體分子除了與容器壁發(fā)生碰撞外，幾乎不發(fā)生分子間的碰撞。分子的平均自由程大于氣體容器的尺寸或與其相當(dāng)（即氣體主要是在分子和氣壁之間碰撞過的程中流動(dòng)）。第15頁/共77頁第十五頁，共78頁。16 氣體分子間的碰撞(pn zhun)(pn zhun)較為頻繁。分子的平均自由程較短（即氣體主要是在分子間的碰撞(pn zhun)(pn zhun)過程中流動(dòng)）。2 2、粘滯(zhn zh)(zhn zh)流狀態(tài) 判斷氣體的流動(dòng)(lidng)(lidng)狀態(tài)可用克努森準(zhǔn)數(shù): :Kn110 粘滯流狀態(tài)粘滯流狀態(tài)110Kn

7、1 過渡狀態(tài)過渡狀態(tài)DKnD為容器的尺寸； 為氣體分子的平均自由程第16頁/共77頁第十六頁，共78頁。17粘滯流狀態(tài) 低流速時(shí)，為層流狀態(tài) 流速較高時(shí)，為紊流狀態(tài) 粘滯(zhn zh)態(tài)氣流的兩種不同的流動(dòng)狀態(tài)第17頁/共77頁第十七頁，共78頁。18 層流狀態(tài)，相當(dāng)于氣體分子的宏觀運(yùn)動(dòng)方向與一組相互平行的流線相一致。相鄰的各流層之間一直維持(wich)著相互平行的流動(dòng)方向。 在靠近容器壁的地方，氣體分子受到器壁的粘滯力作用，其流動(dòng)速度趨近于零；隨著離開器壁距離的增加，氣體的流動(dòng)速度逐漸增加，在容器的中心處，氣體流動(dòng)速度最高。 在流速較高的情況在流速較高的情況(qngkung)下，氣體的流動(dòng)

8、不能再維持相互平行的層流狀態(tài)模式，而會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N漩渦式的下，氣體的流動(dòng)不能再維持相互平行的層流狀態(tài)模式，而會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N漩渦式的流動(dòng)模式，這時(shí)氣流中不斷出現(xiàn)一些低氣壓的漩渦。流動(dòng)模式，這時(shí)氣流中不斷出現(xiàn)一些低氣壓的漩渦。稱為紊流狀態(tài)稱為紊流狀態(tài)第18頁/共77頁第十八頁，共78頁。19 除流速除流速(li s)外也可用雷諾（外也可用雷諾（Reynolds）準(zhǔn)數(shù)）準(zhǔn)數(shù)Re判斷氣體的流動(dòng)狀態(tài)判斷氣體的流動(dòng)狀態(tài): D-為容器為容器(rngq)特征尺寸；特征尺寸；v-為流速；為流速；-為密度；為密度；-為粘度系數(shù)。為粘度系數(shù)。vDRe Re2200 紊流狀態(tài)(zhungti) Re100pa時(shí)，氣體的熱

9、導(dǎo)率將不再隨壓強(qiáng)變化而顯著變化，所以此時(shí)測(cè)量的靈敏度迅速下降；在p后，氣體分子熱傳導(dǎo)帶走的熱量，在總加熱功率中所占的比例過小，測(cè)量靈敏度也迅速下降。第65頁/共77頁第六十五頁，共78頁。66特點(diǎn)：儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便缺點(diǎn)：測(cè)量區(qū)域內(nèi)，指示值呈非線性、測(cè)量結(jié)果與氣體種類有關(guān)(yugun)、零點(diǎn)飄移嚴(yán)重。 2、皮拉尼真空(zhnkng)規(guī) （熱阻式真空(zhnkng)規(guī)） 利用測(cè)量熱絲電阻值隨溫度的變化來測(cè)定(cdng)氣壓。第66頁/共77頁第六十六頁，共78頁。67二、電離(dinl)真空規(guī) 陰極發(fā)射的電子在飛向陽極的過程中碰撞氣體分子，并使后者電離，由離子(lz)收集極接受電離的離子(l

10、z)，根據(jù)離子(lz)電流強(qiáng)度Ii的大小，就可以測(cè)量出環(huán)境真空度。第67頁/共77頁第六十七頁，共78頁。68 因?yàn)殡x子電流IiIi的大小將取決于陰極發(fā)射的電子電流強(qiáng)度IeIe、氣體分子的碰撞截面(jimin)(jimin)以及氣體分子密度（即壓強(qiáng)p)p)等三個(gè)因素，在固定陰極發(fā)射電流和氣體種類的情況下，離子電流強(qiáng)度將直接取決于電離氣體的分子密度（即壓力）。 其測(cè)量下限約為10-5pa10-5pa，受陰極發(fā)射(fsh)(fsh)的高能電子在離子收集極上產(chǎn)生光電子（形成虛假的離子電流）所限制。第68頁/共77頁第六十八頁，共78頁。69 適用壓力范圍(fnwi)10-110-5pa,(fnwi)

11、10-110-5pa,因?yàn)楫?dāng)壓力大于10-1pa10-1pa時(shí)電子的平均自由程太小，氣體不能電離，故不能反映氣壓。三、薄膜真空(zhnkng)規(guī) 是依靠金屬薄膜在氣體壓力差作用下，產(chǎn)生機(jī)械位移(wiy)(wiy)來對(duì)壓強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量。第69頁/共77頁第六十九頁，共78頁。70 薄膜真空規(guī)有兩個(gè)被隔開的真空腔，當(dāng)一個(gè)腔內(nèi)壓力已知，另一個(gè)腔壓力未知的情況(qngkung)(qngkung)，薄膜的位移量將與兩個(gè)腔內(nèi)的壓力差成正比。 薄膜的位移是依靠測(cè)量薄膜與另一金屬電極間的電容C1 C1 的變化(binhu)(binhu)而實(shí)現(xiàn)的。第70頁/共77頁第七十頁，共78頁。71 其測(cè)量下限約為10-3p

12、a10-3pa，這相當(dāng)于探測(cè)到薄膜位移只有一個(gè)原子(yunz)(yunz)尺度的大?。黄錅y(cè)量上限受薄膜材料本身抗破壞性強(qiáng)度的限制。 特點(diǎn)：可用于氣體絕對(duì)(judu)壓力的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與氣體種類無關(guān)第71頁/共77頁第七十一頁，共78頁。72 不同(b tn)種類真空規(guī)的壓力適用范圍第72頁/共77頁第七十二頁，共78頁。73第一章第一章 小結(jié)小結(jié)(xioji)(xioji)n薄膜材料在現(xiàn)代科技領(lǐng)域占有重要薄膜材料在現(xiàn)代科技領(lǐng)域占有重要(zhngyo)(zhngyo)的地的地位，可作為大家今后作為科學(xué)家或工程師的職業(yè)方位，可作為大家今后作為科學(xué)家或工程師的職業(yè)方向向n真空技術(shù)是現(xiàn)代薄膜材料技術(shù)

13、的基礎(chǔ)真空技術(shù)是現(xiàn)代薄膜材料技術(shù)的基礎(chǔ)n不同的薄膜制備方法涉及到不同的真空環(huán)境不同的薄膜制備方法涉及到不同的真空環(huán)境真空真空度度n不同的真空度需要采用不同的真空獲得方法與真空不同的真空度需要采用不同的真空獲得方法與真空測(cè)量方法測(cè)量方法第73頁/共77頁第七十三頁，共78頁。74基本概念復(fù)習(xí)基本概念復(fù)習(xí)(fx)(fx)u 為什么在薄膜制備技術(shù)的討論中，先要討論真空環(huán)境與真空技術(shù)？u 熟悉真空度的物理單位及其相互換算。u 根據(jù)氣體流動(dòng)狀態(tài)所表現(xiàn)出的特性，我們是如何(rh)劃分氣體流動(dòng)狀態(tài)的？u 說明分子通量的物理意義？討論分子通量是如何(rh)影響薄膜純度和薄膜沉積速率的。u 了解真空泵的主要性能

14、指標(biāo)。u 了解主要的真空泵種類。u 了解主要的真空測(cè)量方法。第74頁/共77頁第七十四頁，共78頁。75思思 考考 題題1、使用真空泵系統(tǒng)對(duì)30升的真空系統(tǒng)抽真空到 10-6Torr。關(guān)閉真空系統(tǒng)3分鐘后，系統(tǒng)壓力升至10-5Torr。 （1）求系統(tǒng)的壓力升高率（TorrL/s) （2）求使用抽速為Sp=40L/s的真空泵時(shí)，系統(tǒng)可以達(dá)到的極限真空度。2.、為電子顯微鏡和真空退火爐（壓力均為10-5 Torr) 選配真空泵和真空計(jì)。設(shè)D=50cm, 計(jì)算(j sun)克努森準(zhǔn)數(shù) 和氣體分子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。第75頁/共77頁第七十五頁，共78頁。76思思 考考 題題3. 設(shè)薄膜制備設(shè)備的氣體輸入速率為 75TorrL/min，若需要保持系統(tǒng)的 壓力為1Torr, 求需要的真空泵抽氣速率Sp。4. 證明：通孔A在分子流狀態(tài)時(shí)的流導(dǎo)。5. 求證公式(gngsh)（1-24），即不同溫度點(diǎn)處測(cè)量 出的氣體壓力不盡相同。第76頁/共77頁第七十六頁，共78頁。77感謝您的