真空技术基础PPT学习教案

能、热力学温度和吸附分子垂
直于表面方向的振动周期。 第15页/共35页
常见气体的吸附常数和吸附热
Two Level Desorption Speed 在超高真空系统中许多化学活泼的双原子气体在 金属表面上化学吸附时分级为原子态。其解吸速 率称为二阶解吸速率。
d 2 dt
12V2
exp(
Ed RT
)
P{i} eY Y i i!
Yi d e
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如果在电极间有N0个电子，它们与气体发生碰 撞的总次数Z满足：
Z
N0
i1
iP{i}
N0
d
0
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Electron Collision Leading to Ionization 电子与气体分子碰撞导致有如下可能：a、不发 生能量转移b、激发气体分子到激发态； c、电 离； 上述过程的发生与电子携带的能量相关，满足能 量要求时，过程的发生也是以一定的几率进行的。
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根据热力学理论，很多研究者对吸附现象 进行了研究，得到很多吸附等温线的理论结果， 其中真空技术中常用的有6种。
需要注意的是下面这些公式都是有特定的 使用范围的，这从一个侧面反映出吸附现象的复 杂性，它不仅与吸附剂的物质种类和表面状况有 关，也与吸附质的物质种类、携带的能量等有关。
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朗缪尔等温式：
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此外还有弗利德利胥等温式、捷姆金等温式、 BET等温式、杜平宁等温式和亨利定律等。这些 方程都是在普遍的热力学规律基础上，结合特定 的假设得到的，所以适用性是有局限的。
《真空设计手册》P80～84
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4、Non-equilibrium of Adsorption
D：崩溃或者点火； EF：正常辉光放电； FG：异常辉光放电； GH：弧光放电； OC：非自持放电； CD：不稳定自持放电； EH：稳定自持放电
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当加在阴极和阳极之间的电压增大到某一个数值时，放电从非自持 放电转变为自持放电，放电电流会大幅度增大。非自持放电过渡到 自持放电的突变称为崩溃，对应的电压叫做着火电压。 发生崩溃的条件是：
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3、Glow Discharge 辉光放电是满足着火条件后立即发生的一种自持 辉光放电，它的显著特点是从阴极到负辉区有几 百伏的电位变化。 辉光放电的整个空间为明暗相间的光层所分割， 而大多数光层分布在靠近阴极的地方。这个特点 是与电子和气体相互作用的特点密切相关的。
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2, 1, Ed , V2, R, T 分别是单位面积上吸附的分子数、 单位面积上吸附的原子数、解吸活化能、二级解
吸速率常数、普适气体常数和热力学温标。
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Gas Discharge under Low Temperature
1、Ionization of Gas
假设分子具有球对称势能，当运动的电子只有在 距离分子re之内时，其轨道才有显著的变化。称 此时的球对称势能截面为有效截面（Effect Cross-Section）。有效截面是微观截面。单位体 积内所有分子的有效截面之和叫做总截面。它在 物理意义上相当于一个电子在气体中经过单位路 程和气体分子碰撞的概率。
(ed 1) 1 or （eVs / E -1）=1
, Vs , E 分别是电离系数、着火电压、电场强度、极间距、二次
发射系数
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着火电压相当于放电伏安曲线上D点的电压，数 值上决定于气体的压力P、极间距d。
Vs＝（pd） 这个规律叫做巴刑定律，只要乘积保持不变，着 火电压也不会变化。 各种材料的最低着火电压可以在真空技术的常数 表中查寻。
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气体放电现象在真空技术中非常重要，既有有利 的方面，也有不利而需要克服的方方面，这些都 有赖于对放电机制的深入认识。
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Forthcoming Topics: 真空管路基础 真空泵原理与结构 蒸发法薄膜制备原理与设备 溅射法薄膜制备原理与设备 样品的热处理原理与操作
真空技术基础
会计学
1
Adsorption of Gas (吸附)
1、Interaction of Solid and Gas 吸附(Adsorption)：固体表面聚集一层或者多层气 体的现象； 吸收(Adsorption)：气体扩散渗入固体内部并被溶 解的现象； 解吸（Desorption）：被材料吸附的气体或者蒸 汽的释放现象；
I 区：阿斯顿暗区； II 区：阴极辉区； III 区：阴极暗区； 上述三区叫做阴极位降区； IV 区：负辉区，光度最强； V 区：法拉第暗区； VI 区：正柱区，等离子体区 ； VII区：阳极区
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除此之外，气体放电还包括弧光放电、活化放电、 电晕放电、高频放电和潘宁放电。这些放电类型 都与具体的气压、电极和电场条件相关。 这些放电形式也根据各自特点的不同有着特殊的 用途。 比如：弧光放电温度很高，发光强烈，可以用来 熔化、焊接金属、制备照明灯具；火花放电具有 高压、放电间隙等时、外环境敏感特性，可以用 来制作高压验证仪器、计时器和辐射计数器；电 晕放电时自持放电，可以用来制作静电除尘、电 晕放电计数管等；
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吸附产生的机理大致说就是由于固体表面附件的 力场存在，它对于与其碰撞的气体分子而言扮演 着一个势阱（Potential trap）的角色。 吸附剂与吸附质中间作用力分类两种：范德瓦尔 斯力和化学键力。 范德瓦尔斯力源于电偶极子，强度随距离6次方 衰减； 化学键力源于吸附剂与吸附质之间的电子交换， 有离子键和共价键的区分；
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2、Basal Principle of Adsorption 吸附是真空技术中非常重要的问题，只要涉及的 是气体与固体表面的相互作用。 被吸附的气体分子叫做吸附质，吸附气体分子的 固体叫吸附剂。 吸附是固体物质的通性，但是有些物质的吸附能 力特别强，如活性炭、硅胶、活性氧化铝、分子 筛、金属钛、金属锆和金属钡等。 吸附现象在真空技术中要辨证地看待。
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吸附的过程： 分子以1 kT 能量与固体表面碰撞，以一定的几率
2
落入范德瓦尔斯势阱qp ，放出一部分热量（吸附 热）。 被捕获的分子以一定几率穿越势垒 Ea（化学吸附 活化能）落入更深的势阱，放出较大的能量（化 学吸附热）。 物理吸附与温度负相关，化学吸附与温度正相关。
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在吸附未达到平衡或者外界因素使得吸附质脱附
时，吸附现象进入非平衡状态。通常对非平衡态 我们关注的是吸附或者解析速率。
Chemical Adsorption Speed
uc
n
Fc ( ) exp(
Ea RT
)
(个/m -2sec-1 )
其中γ是吸附成功率、Fc(θ)是没有被化学吸附 占据的吸附位碰撞的概率、Ea是吸附活化能、 Γn是单位时间碰撞到单位面积衬底上的分子数 目。
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足以引起气体电离的能量叫做电离能，电离能对应的 电位叫做电离电位。
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2、Gas Discharge 当气体原子或者分子受到某种外界能量作用而形 成荷点粒子（电子、正离子、负离子），气体变 成导体，当有电场存在时，带电粒子定向运动， 产生了气体放电现象。气体放电的特点： （1）气体放电的前提是气体电离，有载流子； （2）恒定温度下，气体电导率由载流子密度和 平均自由程决定。它是随外界因素有关的；
up n Fp ()
定义凝聚速率 p Fp () 得到物理吸附速率表达式为：
up n p
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First Level Desorption speed
d dt
V1
exp( Ea ) RT
, V1, R，Ed, T, 0
分别为单位面积
吸附分子数、一级解吸速率常
数、气体普适常数、解吸活化
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电子平均自由程
总截面 Q
en
1 e
e
1 en
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Collision Number Distribution of Electron in Accelerating Electric Field between Two Pole 电子从阴极飞跃到阳极的过程中，不断与气体分 子碰撞，损失能量和改变运动方向。期间遭受i 次碰撞的概率P{i}为：d为极间距
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3、Equilibrium of Adsorption 吸附出于平衡状态时，吸附量是温度与环境气体 压力的函数： F( p,T) 温度一定时，吸附量仅仅是压力的函数，叫做吸 附等温线。 F( p) 大量的实验表明吸附等温线有5中类型，其中类 型I为单分子层吸附。
第6页/共率αc,
c
Fc ( ) exp(
Ea RT
)
得到化学吸附速率的表达式为：
uc nc
下面给出一些实际测量的结果。通常结论是和各 种因素相关的。
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Physical Adsorption Speed 物理吸附速率up是：
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（3）电子从电场获得的能量，主要转化为下面 四种形式的能量： a）通过和气体分子碰撞转化为分子热运动能量； b）通过激发碰撞转化为激发能； c）通过电离碰撞转化为电离能； d）通过和电极碰撞将能量传递给电极。
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气体放电的伏安特性
OA : 自然带电粒子形成电流； AB：自然带电粒子导电达到饱和； BD：雪崩击穿；