+真空技術中的物理化學現(xiàn)象課件

1、真空物理與技術第4章 真空技術中的物理化學現(xiàn)象第1頁，共52頁。第四章真空技術中的物理化學現(xiàn)象蒸發(fā)-凝結溶解和滲透吸著解吸-出氣電子、離子和表面的相互作用第2頁，共52頁。蒸發(fā)和凝結第3頁，共52頁。蒸發(fā)-凝結真空系統(tǒng)中的蒸汽真空系統(tǒng)中除了包含氣體，還含有蒸汽蒸汽：在其臨界溫度以下的一種實有氣體非飽和蒸汽飽和蒸汽和飽和蒸汽壓蒸發(fā)分子數(shù)與凝結分子數(shù)動態(tài)平衡，氣態(tài)自由分子數(shù)恒定第4頁，共52頁。蒸汽的物理狀態(tài)真空系統(tǒng)中既包含飽和蒸汽，也包含非飽和蒸汽系統(tǒng)中任何液面都是蒸汽源，只要系統(tǒng)中有液體，可達到的最低壓強就是這種液體現(xiàn)有溫度下的蒸汽壓室溫 H2O 17TorrHg 1 x 10-3Torr蒸汽

2、受到壓縮，壓強只能增高到蒸汽壓，繼續(xù)壓縮將使其凝結系統(tǒng)中非飽和蒸汽會在其被壓縮的泵或規(guī)中凝結(氣鎮(zhèn)）麥克勞真空計降低真空系統(tǒng)任何部分溫度，則降低系統(tǒng)中蒸汽的蒸汽壓冷阱，冷擋板，低溫泵第5頁，共52頁。蒸汽壓和蒸發(fā)率克勞修斯-克拉帕龍方程LT：蒸發(fā)潛熱J：熱功當量（J154.18x107爾格/卡）VG和VL：氣體和液體的比容積（密度的倒數(shù)）W：蒸發(fā)率 g/s.cm2PV：蒸汽壓 TorrM：分子量f：粘附系數(shù) 一個入射分子停留在表面的幾率蒸發(fā)率：第6頁，共52頁。金屬蒸汽壓PV和蒸發(fā)率金屬AB溫度范圍（）t()W(g/s.cm2)PV (Torr)10-510-410-310-210-11Al1

3、1.791.594x10411371195T8829721082120713471547W8.92x10-88.59x10-78.23x10-67.88x10-57.53x10-47.10 x10-3Cu11.961.698x1049691606t94210321142127214271622W1.33x10-71.29x10-61.24x10-51.18x10-41.13x10-31.07x10-2Ag11.851.427x1047211000t757832922103211671337W1.89x10-71.82x10-61.75x10-51.68x10-41.60 x10-31.51x1

4、0-2Au11.891.758x104727987t98710821197133215071707W2.31x10-72.26x10-62.14x10-52.05x10-41.94x10-31.84x10-2Zn11.636.54x103239377t208246290342405485W2.15x10-72.07x10-61.99x10-51.90 x10-41.81 x10-31.71x10-2W12.404.068x104t25472757300732973647W1.49x10-71.44x10-61.38x10-51.32x10-41.2610-3第7頁，共52頁。常見金屬蒸汽壓第8

5、頁，共52頁。普通氣體蒸汽壓第9頁，共52頁。常用清洗液的蒸汽壓1丙酮 2四氯化碳 3三氯乙烯 4乙醇第10頁，共52頁。常用擴散泵油蒸汽壓第11頁，共52頁。低溫抽氣低溫抽氣如果真空系統(tǒng)中某一表面冷卻，蒸汽（氣體）就會在其表面上凝結，從而降低壓強極限壓強決定于凝結表面溫度為TV時的蒸汽壓PVLHe情況下，Pu/Pv=8.4 絕大多數(shù)氣體Pu10-10Torr低溫泵抽速 104106L/S第12頁，共52頁。真空鍍膜真空鍍膜使所需材料蒸發(fā)后冷凝在要鍍膜的基片上高真空 蒸發(fā)材料一定的蒸汽壓10-310-2Au 1300 Pv=10-2Torr蒸發(fā)器蒸汽壓要小厚度控制1 蒸發(fā)材料 2 鉬舟 3 電

6、極 4 工件5 鐘罩 6 真空規(guī) 7 擴散泵第13頁，共52頁。溶解和滲透第14頁，共52頁。滲透過程滲透氣體具有通過固體的可能性某一固體阻擋層沒有任何孔大到足以使氣體通過時，氣體仍可滲入、通過和逸出該阻擋層的過程稱為滲透滲透率滲透過程中的穩(wěn)態(tài)流率稱為滲透系數(shù)（滲透率）標準溫度和壓強下每秒流過1mm兩側壓差為1Torr的固體阻擋層的1cm2截面的氣體體積（cm3)第15頁，共52頁。滲透過程溶解 亨利定律擴散Fick第一定律Fick第二定律C:濃度 293K時溶解于1cm3中的氣體量（Torr.cm3)j:溶解常數(shù) 雙原子分子j=2 非金屬氣體j=1b:溶解度 293K 1atm 溶解在1cm

7、3中的氣體量(量綱根據(jù)j不同)第16頁，共52頁。滲透常數(shù)K擴散系數(shù)與溶解度乘積K=D1b壓差為1atm，透過1cm厚板1cm2截面的氣體量（cm3標準溫度、壓強）第17頁，共52頁?？椎男獏^(qū)分真正的滲透和氣體流過實孔及出氣孔的效應壁兩側用粗真空徹底除氣在高真空側加壓，特定氣體在低真空側很快上升孔用分子量不同的氣體實驗，上升率符合(T/M)1/2孔第18頁，共52頁。氣體對真空外殼的滲透真空容器：金屬、玻璃橡膠壁管對氣體來說或多或少可以被滲透，可以是原子性 或分子性的第19頁，共52頁。氣體滲透的主要特點玻璃 10-7Torr考慮金屬半導體聚合物玻璃致密，氣體分子量大滲透小He H2 D2

8、NeAr O2透過SiO2可測透明石英（最快）所有速率直接隨壓強變化稀有氣體不能透過任何金屬H2滲透率最高，特別對鈀氧滲透Ag通過腐蝕電解等，氫可滲透鐵速率隨壓強平方根變化氦和氫可滲透鍺和硅氖和氬不可測氫的速率隨壓強平方根變化一切氣體對所有聚合物均能滲透所有速率隨壓強變化第20頁，共52頁。滲透的結果滲透使氣體從高壓強一側遷移到低壓強一側對極限壓強的限制將一定量的特種氣體引入到真空室中氦檢漏 低于10-10漏率 H-Ni O-Ag大氣在1mm石英球泡中的積累 25He在各種玻璃泡中的積累 25第21頁，共52頁。吸著第22頁，共52頁。吸著現(xiàn)象氣體被固體（液體）保留下來叫吸著吸附和吸收吸附氣體

9、分子被吸引并附著到一個固體表面的過程吸附層為一個到幾個分子層物理吸附和化學吸附吸收氣體以完全類同于溶解于液體的方式進入固體吸附劑和吸收劑吸著氣體的固體第23頁，共52頁。吸附能分子在非活化吸附時的勢能激活化學吸附加上物理吸附的勢能純物理吸附：范德瓦爾斯力吸引力較低吸附熱HA大于液化熱放熱化學吸附：吸引力大得多物理吸附激活能化學吸附放熱惰性氣體不會被化學吸附，很不牢靠地依托在表面上第24頁，共52頁。分子分解以原子形式吸附激活化學吸附吸熱激活化學吸附放熱第25頁，共52頁。單分子層和粘附系數(shù)單位面積上吸附地分子數(shù)分子從表面解吸ED很小（物理吸附），低溫（77K） 10-13107s化學吸附（ E

10、D10200Kcal/mol） 10-51030s指數(shù)關系，說明ts變化范圍很大第26頁，共52頁。吸附等溫線吸附（無覆蓋區(qū)1-)和解吸（覆蓋區(qū)）平衡吸附量N0在T,Ts恒定時表現(xiàn)為P的函數(shù)（吸附等溫線）在P為常數(shù)時表現(xiàn)為T的函數(shù)（吸附等壓線）吸附量N0恒定時，P=f(T)第27頁，共52頁。吸附等溫線被吸附氣體量隨壓強而增多室溫下很少氣體可以在高真空條件下保持物理吸附低溫時，吸附量（即使ED很低）相當大粘附系數(shù)f和脫附能ED都不是常數(shù)等溫線通過觀察得到，并用來確定f和第28頁，共52頁。一氧化碳在鎢上的粘附系數(shù)粘附系數(shù)主要在0.1-1之間接近單分子層時減小吸附量低時也減小第29頁，共52頁。

11、Langmuir吸附等溫線b是常數(shù)（Torr-1)b隨T和Ts的上升而減小如果P1/b，則bP少于一個單分子層的吸附第30頁，共52頁。BET等溫線(Brunauer、Emmett、Teller)多層分子吸附V：吸附氣體體積Vm，C：常數(shù)PV：溫度一定時的飽和蒸汽壓Vm：完全單分子層中的氣體體積二維凝結是形成下一層的先決條件第31頁，共52頁。混合氣體吸附可凝氣體氣體成分的飽和蒸汽壓在此溫度下足夠低，則這一成分不斷凝結于表面，它稱為可凝氣體冷捕集可凝氣體凝結過程中，能不斷捕集其他非可凝成分，降低其分壓強置換甲氣體可將已吸附于表面的乙氣體釋出，部分或全部地取而代之第32頁，共52頁。冷捕集冷捕集

12、一種氣體將另一種氣體埋于底下（無法說明一個可凝分子捕集一個以上非可凝分子）可凝氣體不斷產(chǎn)生新鮮表面，非可凝氣體物理吸附兩種氣體間形成化學鍵非可凝氣體溶解于可凝氣體地疏散凝結層中第33頁，共52頁。置換置換大量分子離開表面，同時大量分子碰撞表面表面部分分子吸附時間較長，覆蓋了表面超高真空系統(tǒng)中會改變系統(tǒng)中氣體成分置換氣體表面性質(zhì)覆蓋度溫度第34頁，共52頁。表面遷移吸附在表面地分子，吸附時間逃逸表面（垂直動量足夠大）側向運動（橫向動量）氣體(273K)擴散系數(shù)Dsx103cm3/sDs=a2/N21.53O21.30Ar1.31Kr0.50CH41.24第35頁，共52頁。用吸收劑的氣體吸著吸收

13、劑吸附吸附氣體擴散滲透到固體中活性碳、分子篩、硅膠、鋁等活性碳可可殼-分解蒸餾(500-700C）-活化（800-1000C 1h）-去水（粗真空）1000m2/g比表面積分子篩堿金屬硅酸鋁-不改變晶體結構脫去結晶水（沸石、硅膠）多孔性吸附：比吸附物分子直徑略大的孔來吸附對某些氣體有效吸附泵第36頁，共52頁。活性碳活性碳低溫吸附0活性碳吸附水蒸汽V:每克活性碳吸附的氣體體積1.5-2.5Torr之間急劇變化第37頁，共52頁。分子篩5A分子篩吸附水蒸汽第38頁，共52頁。解吸-出氣第39頁，共52頁。解吸現(xiàn)象解吸真空中，原先被吸附或吸收的氣體脫離表面解吸受壓強、溫度、材料形狀及表面種類的影響

14、壓強：超過或低于平衡態(tài)吸著或解吸溫度：解吸吸熱，提高溫度有利于解吸形狀：表面大小，厚度表面：拋光、清洗第40頁，共52頁。出氣出氣由解吸而產(chǎn)生出的氣體出氣常數(shù)：氣體從單位表面釋出的速率（Torr.L/s.cm2)烘烤出氣率急劇上升到峰值緩慢下降降低溫度，急劇下降到應有出氣率低的多的水平第41頁，共52頁。出氣率各種未處理材料室溫下出氣率出氣率測定：4-8h抽氣后獲得出氣率取決于表面狀態(tài) 去油表面 表面拋光：低值烘烤 非金屬 80100 24h金屬300 24h 400 100h (不銹鋼 1000 3h)第42頁，共52頁。玻璃出氣率玻璃放氣率玻璃在真空中加熱到150，其吸附的絕大部分氣體被放

15、出第43頁，共52頁。荷能粒子與表面相互作用第44頁，共52頁。荷能粒子與表面荷能粒子：具有一定動能的電子、光子和重粒子（質(zhì)子、中子、離子和原子）許多真空設備、電真空器件都含有荷能粒子，荷能粒子以足夠的能量和固體表面作用但不足以產(chǎn)生核反應是各種表面分析技術的基礎轟擊脫附破壞真空度濺射剝蝕是濺射離子泵、濺射鍍膜以及離子刻蝕的基礎氣體放電、氬離子轟擊是獲得清潔表面的有效手段離子在電場驅(qū)動下移動吸收是離子泵的基礎電子、電子束轟擊加熱是電真空器件除氣的重要方法第45頁，共52頁。荷能原子、離子與表面能量高于熱運動而低于發(fā)生核反應室溫下：0.026eV 400C 0.087eV輕粒子核反應105eV，重

16、粒子核反應106eV1eV- 105eV30eV 背散射、較輕的濺射(小于10-3)30-1000eV 入射粒子在碰撞時轉移給靶的能量超過后者在固體中的束縛能的幾率增加，濺射出現(xiàn)，可能滲入固體，貫穿深度幾個晶格常數(shù)1k-30keV入射粒子俘獲幾率1，背散射為0，滲入距離變長，入射粒子能量足以使靶原子電子激發(fā)30k-1MeV非彈性效應在入射粒子能量損失中起主要作用，高能激發(fā)第46頁，共52頁。離子散射入射粒子能量104eV：非彈性效應在入射粒子能量損失中起主要作用，高能激發(fā)第47頁，共52頁。濺射濺射荷能粒子轟擊固體表面使固體原子、離子射出閾值能量：濺射開始時的入射粒子能量 一般氣體離子-金屬濺

17、射閾5-30eV (He+ Ar+)濺射產(chǎn)額：一個入射粒子濺射出的平均粒子數(shù)，隨粒子質(zhì)量增加而增加，入射能量增加，產(chǎn)額也增加到飽和濺射的結果濺射鍍膜濺射離子泵壁材的濺射會導致離子體的污染第48頁，共52頁。氣體濺射氣體濺射靶材吸附或凝結的氣體在離子轟擊下重新釋出濺射產(chǎn)額：單位面積吸附劑量1L(1單分子層,總分子數(shù)為1015時)，平均每個轟擊離子釋出的分子數(shù)轟擊離子HeNeArKrXeHe5.512.050.040.05.0Ne9.020.535.033.010.0Ar10.035.022.018.012.5Kr7.538.012.011.56.0Xe13.024.040.062.063.0第49頁，共52頁。荷能電子與表面I-彈性反射電子LEED