1 第1章 真空技术基础

1 真空技术基础
1.1 真空的基本知识
1.1.3 气体的吸附及脱附
真空下，气体在固体表面的吸附和脱附现象总是存在的！ 一、基本概念
气体吸附：固体表面捕获气体分子的现象
气体脱附：逆过程 气体从固体表面释出
二、为什么需要关注（意义？）
1）气体在固体表面的吸附/脱附常常影响真空的实现和保持； 2）吸附原理还被用来制作各种吸附泵来获得高真空。
atm 1.316×10-3
(1/760)
PSI 1.9337×10-2 1.4504×10-4 1.4504×101 1.4696×101
10-5 105 1.013×105 6.8948×103 1.013 6.8948×10-2
9.869×10-6 9.869×10-1
(1/1.013×105)
1.2.1 旋片式机械泵（Rotary Pump）
1、扩张（吸气） 2、容积最大
3、压缩
4、排气
（a）外观 分
（b）内部结构
（c）工作原理
机 械 泵：利用机械运动部件转动或滑动形成的输运作用获得真空的泵。 类：旋片式（最常见）、定片式、滑阀式 运转模式：吸气 压缩 排气 （不断循环） 基本特点：需加真空油（密封用）；可从大气压开始工作； 真空度要求低 可单独使用；真空度要求高 作为 前级泵 使用 工作区间：单级：105~1 Pa；双级：105~10-2 Pa 优、缺点：结构简单、工作可靠；有油污染的问题。
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本课程讨论的对象：
什么是薄膜（Thin film）？
① 相对尺度：某一维尺寸 << 其余二维尺寸； ② 绝对尺度：在此维度上材料厚度 < 1~5 m，
厚度 > 5 m 的沉积层叫什么 ？
一般称为涂层 (Coatings)
本课程的讨论对象是什么 ？ 具有结构/功能特性的固态薄膜（thin solid films）！
双级机械泵示意图
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薄膜材料与技术
Thin Film Materials & Technologies
1 真空技术基础
1.2 真空的获得
1.2.2 油扩散泵（Diffusion Pump）
（a）外观
（b）内部结构
m RT M
k — 玻尔兹曼常数，1.38×10-23 J/K； T — 气体温度 (K)； m — 气体质量 (kg)； R — 普适气体常数，R = NA· k = 8.314 J/mol· K； 23 NA — Avogadro常数，6.02×10 个/mol；
P nkT n
P kT
大气状态 热运动剧烈 碰撞频繁
P 6.667 10 3 (m Pa )
10-1 10-3 6.667 若干米 10-6 6.667×103 数 km >>1 分子流
分子数更少 分子间无碰撞 器壁碰撞几率也低
102 6.667×10-5 不到1 m ≥0.01 过渡段
粘滞流 分子流 分子-分子 与分子-器壁 碰撞几率相当
换算基础：1 N＝105 dyne＝0.225 lbf 1 atm＝760 mmHg（torr）＝1.013×105 Pa＝1.013 bar -5薄膜材料与技术
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1.1 真空的基本知识
1.1.1 真空度的单位
不同真空度单位制间的换算关系：
6.8046×10-2
说明：1、mmHg是人类使用最早、最广泛的压强单位；
1958年为纪念托里切利，用托（torr）代替了mmHg：1 torr＝1 mmHg 2、早期的真空度计量常以 torr 或 mbar 为单位； 目前随着标准化进程的推进，SI（MKS）制单位应用日渐广泛 真空度用 Pa 作单位
注意：真空，实际上指的是 一种低压的、稀薄的气体状态， 而不是指“没有任何物质存在”！
存在的真空 宇宙真空：宇宙空间内 因此，真空可分为 备获得的容器内真空 人为真空：利用真空设
现代真空技术的极限：每 cm3空间内仅有数百个气体分子 对应气压 10-11 Pa 思考题：常温常压下，每cm3空间内有多少个气体分子？ 提示：可由Avogadro常数推算 (6.02×1023个/22.4×103cm3 2.7×1019 个/cm3) -4薄膜材料与技术
三、吸附的主要机制：
物理吸附：分子间作用力引起、无选择性、低温有效、易脱附 化学吸附：仅当气固接触生成化合物时发生、高温有效、不易脱附
四、可能的影响因素：P气、T固、气、表面光洁度、清洁度等，如：T固 易脱附！
-10薄膜材料与技术
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0.01
Kn
— 气体分子的平均自由程
分子流（自由分子流、Knudsen
Kn = 0.01~1
1
Kn >> 1
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1.Байду номын сангаас 真空的基本知识
1.1.2 真空区域的划分
3）理想气体状态方程： P nkT， PV 式中：n — 分子密度 (个/m3)； P — 气体压强 (Pa)； V — 气体体积 (m3)； M — 气体分子量 (kg/mol)；

1 kT 2 π 2 n 2 π 2 P
表明：
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1.1.2 真空区域的划分
5）真空区域的工程划分：空气在室温下满足 P (Pa) 105 6.667×10-8 数十nm <<0.01 粘滞流
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1.1 真空的基本知识
1.1.1 真空度的单位
真空的实质：一种低压气体物理状态 真空度采用气体压强表征 真空度的单位 = 气体压强的单位
注意：真空度和气压的意义相反 真空度 意味着 气压
国际单位制（MKS制，即SI制） 1 Pa＝1 N / m 2 1 bar＝106 dyne/cm 2 厘米克秒制（CGS 制） 主要单位制 1 PSI ＝1 lbf / in 2 英制（FPS制） 毫末汞柱制（mmHg 制） 1 torr ＝1 mmHg ＝1 / 760 atm
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1.1 真空的基本知识
1.2 真空的获得
真空的获得：就是所谓的“抽真空”！
利用各种真空泵把容器内的空气抽出，使其内部压强保持在 <1 atm的特定压强范围！
获得真空的主要工具 各种真空泵（Pump）！ 真空泵的分类
气体输运泵：通过将气体不断吸入并排出真空泵达到排气的目的。 气体捕获泵：利用各种吸气材料和装臵将被抽空间内的气体分子吸除。
Avogadro定律： 一定温度、压力下，各种气体单位体积内含有的分子数相同。
4）气体分子的自由程（）：每个气体分子在与其它气体分子连续2次碰撞之间运动经历的路程。 平均自由程（ ）：气体分子自由程的统计平均值。 1） 与P成反比，而与 T 成正比； 式中： — 分子直径（m）； 2）在气体种类和温度一定的情况下： P const
相关物理：
定义：
1）Knudsen数(克努森)
D — 流场特征尺寸（如：管径） 物理意义：是描述稀薄气体流动状态的准数！ 分子平均自由程大于流场特征尺寸时的气流称为Knudsen流，其 Kn 一般 > 10！
2）真空系统中气体运动特征的理论划分： 粘滞流（层流、Poiseuille泊肃叶流） 粘滞-分子流 流） Kn <0.01
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1.1 真空的基本知识
1.1.2 真空区域的划分
真空区域：指不同的真空度范围；
划分目的：为了研究真空和实际应用的便利； 划分依据：按照各个压强范围内气体运动特征的不同进行划分； 划分准则：理论上，可依据Knudsen数的不同进行划分。
说明：从大气压力开始抽气，没有一种真空泵可以涵盖从1 atm到10-8 Pa的工作范围
真空泵往往需要多种泵组合构成复合抽气系统 实现以更高的抽气效率达到所需的高真空！
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1.2 真空的获得
制备技术 形成机制 主要研究：各种薄膜材料的 成分结构 特性性能
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1 真空技术基础
真空与薄膜材料与技术有何关系？
几乎所有的现代薄膜材料制备都需要在真空或较低的气压条件下进行 都涉及真空下气相的产生、输运和反应过程 了解真空的基本概念和知识，掌握真空的获得和测量技术基础知识 是了解薄膜材料制备技术的基础！
1.1 真空的基本知识
中学物理内容：1643年 托里切利 (Torricelli) 著名的大气压实验
为人类首次揭示了 真空 这个物理状态的存在！ 管内水银柱上方空间内，因已排除空气的存在而形成真空 (托里切利真空) 图中A、B、C三点压力相等，A、C点：大气压；B点：水银柱产生的压力 换句话说：可用水银柱产生的压力 作为 大气压力 的量度! 把高度为760 mm的水银柱所产生的压力定义为1个大气压 (1 atm) 1 atm = 760 mmHg ！
结果：得到了“真空”的定义和大气压的定义与量度依据！
薄膜材料与技术
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1.1 真空的基本知识
概念：利用外力将一定密闭空间内的气体分子移走， 使该空间内的气压小于 1 个大气压， 则该空间内的气体的物理状态就被称为真空。
-1薄膜材料与技术
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凝结 材料学 薄膜在基片上 伴随复杂物理化学过程 形核 阶段 涉及 物理学 形成，可分为 化 学 长大
薄膜材料与技术
真空技术已经成为一门独立的前沿学科。 真空技术是最基本的薄膜制备技术，因制备过程 需要真空环境，所以首先需要掌握真空的基本知识。
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1.2 真空的获得
真空泵的分类及常用工作压强范围
气 罗茨泵（Booster Pump / Roots Pump） 体 输 油扩散泵（Diffusion Pump） 运 涡轮分子泵（Turbomolecular Pump） 泵 。。。 气 钛升华泵（Titanium Sublimation Pump） 体 捕 低温冷凝泵（Cyro Pump） 获 吸附泵（Sorption Pump） 泵 。。。 溅射离子泵（Ion Pump） 旋片式机械泵（Rotary Pump） 单级：105~1 Pa 双级：105~10-2 Pa 103~10-1 Pa 1~10-6 Pa 1~10-8 Pa 10-3~10-11 Pa 10-3~10-11 Pa 10-4~10-11 Pa 102~10-3 Pa
10-9 6.667×106 几千km
(m)
尺度 Kn 气体分子 流动特征 气体分子 运动特点
6.667×10-2 cm量级 ≥1
器壁碰撞为主 粒子直线飞行
真空区域 工程划分
粗真空
低真空
高真空
超高真空
极高 真空
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torr/mmHg 1 torr (1 mmHg) 1 Pa 1 bar 1 atm 1 PSI 7.501×10-3 7.501×102 760.0 51.7149
(760/1.013×105)
Pa 1.333×102
(1.013×105/760)
bar 1.333×10-3
(1.013/760)