薄膜材料与技术 09级 第1章 真空技术基础
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第1章 薄膜技术基础
3、气体分子的通量 、
真空及薄膜技术中常碰到的另一个物理量， 真空及薄膜技术中常碰到的另一个物理量，是气体分子对于单位面积表 面的撞频率，即单位时间内单位面积表面受到气体分子碰撞的次数， 面的撞频率，即单位时间内单位面积表面受到气体分子碰撞的次数，称为 气 nυa 体分子的通量Φ 体分子的通量 Φ= 4 （1-6） ） 在薄膜材料的制备过程中，薄膜的沉积主要是通过气体分子对于衬底 在薄膜材料的制备过程中， 的 碰撞过程来实现的。此时，薄膜的沉积速度正比于气体分子的通量。 碰撞过程来实现的。此时，薄膜的沉积速度正比于气体分子的通量。 将式1-3和式 代入上式后， N A p 和式1-4代入上式后 将式 和式 代入上式后，可以求出气体分子的通量
4、真空区域的划分
低真空 中真空 高真空 >102 Pa： 真空干燥，低压化学气相沉积。 真空干燥，低压化学气相沉积。 ： ： 低压化学气相沉积，溅射沉积。 102 ～ 10-1： 低压化学气相沉积，溅射沉积。 10-1 ～ 10-5 ：溅射沉积，真空蒸发沉积，电子 溅射沉积，真空蒸发沉积， 显微分析，真空浇铸。 显微分析，真空浇铸。 表面物理，表面分析。 超高真空 < 10-5 ： 表面物理，表面分析。
2 nπMυa nRT p= = 8N A NA
（1-4） ）
式中，n 单位体积内的分子数；NA 为阿伏加德罗（Avogadro)常数；n/NA 即等 常数； 式中， 单位体积内的分子数； 为阿伏加德罗（ 常数 于单位体积内气体分子的摩尔数。 于单位体积内气体分子的摩尔数。 真空：宇宙空间所存在的“自然真空” 利用真空泵抽取所得的“ 真空：宇宙空间所存在的“自然真空”；利用真空泵抽取所得的“人为真 空”。 绝对真空：完全没有气体的空间状态。 绝对真空：完全没有气体的空间状态。 一般意义上的“真空”并不是指“什么物质都不存在” 目前， 一般意义上的“真空”并不是指“什么物质都不存在”。目前，即使用最 先进的真空制备手段所能达到的最高真空度下， 先进的真空制备手段所能达到的最高真空度下，每立方厘米体积中仍有几百个 气体分子。因此，平常所说的真空均指“相对真空状态” 气体分子。因此，平常所说的真空均指“相对真空状态”。 在真空技术中，常用“真空度”习惯用语和“压强”物理量表示真空程度， 在真空技术中，常用“真空度”习惯用语和“压强”物理量表示真空程度， 通常说成“某空间的真空度为多大的压强” 通常说成“某空间的真空度为多大的压强”。某空间的压强越低意味着真空度 越高，反之，压强高的空间则真空度低。 越高，反之，压强高的空间则真空度低。
薄膜物理与技术复习范围
第一章真空技术基础真空：指低于一个大气压的气体状态。
托(Torr) =1/760atm = 133.322Pa对真空的划分：1、粗真空：105－102Pa特性和大气差异不大，目的为获得压力差，不要求改变空间性质，真空浸渍工艺2、低真空：102－10-1Pa 1016~1013个/cm3动力学性质明显，粘滞流状态→分子流状态，对流消失，气体导电，真空热处理，真空冷冻脱水3、高真空：10-1－10-6Pa 1013~1010个/cm3气体分子自由程大于容器线度，直线飞行，热传导和内摩擦性质与压强无关，蒸镀4、超高真空：＜10-6Pa分子间碰撞极少，主要用途：得到纯净的气体，获得纯净的固体表面真空的获得：真空系统包括真空室、真空泵、真空计以及必要的管道、阀门和其他附属设备。
真空的测量热偶真空计：是利用低气压强下气体的热传导与压强有关的原理制成的真空计。
散热与气体压强相关加热丝的温度与气体压强相关用热偶测量加热丝的温度 压强20 ～10-3Torr热阻真空计：散热与气体压强相关加热丝的温度与气体压强相关加热丝的电阻与温度相关用平衡电桥测量加热丝的电阻 压强电离真空计：是利用气体分子电离的原理来测量真空度。
电离真空计用于高真空的测量热丝发射热电子热电子加速并电离气体，离子被离子收集极收集形成电流电流与压强成正比1 x 10-9 Torr to 10-11 Torr第二章真空蒸发镀膜法真空蒸发镀膜法(简称真空蒸镀)是在真空室中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到基片表面，凝结形成固态薄膜的方法。
基本过程：（1）加热蒸发过程，凝聚相→气相该阶段的主要作用因素：饱和蒸气压（2）输运过程，气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运该阶段的主要作用因素：分子的平均自由程（工作气压），源—基距（3）基片表面的淀积过程，气相→固相凝聚→成核→核生长→连续薄膜饱和蒸气压：在一定温度下真空室内蒸发物质的蒸气与固体或液体平衡过程中所表现出的压力称为该物质的饱和蒸气压。
第一章 真空技术基础
几个基本概念：
• 真空：气体分子数量低于大气压状态的空间。但不是完全空 的。 • 真空术语： 本底真空度：全密封真空腔体内抽空时的气压。 工作真空度：实验或工艺过程中所必需的气体压力。 极限真空度：没有漏气和内壁脱气条件下，真空泵所能达 到的最低气压。 真空规：测量真空中气压的仪表或传感器。 真空度单位：气压的单位。 真空度就是真空中的气压。真空度的测量就是气压的测量。
1mba 100 1atm
1.013×105 760
二、真空区域的划分
1105 ~ 1102 Pa
粗真空
低真空 高真空 超高真空
1102 ~ 1101 Pa
粘滞流
1101 ~ 1106 Pa
110 Pa
11010 Pa
6
粘滞流
分子流
极高真空
分子流
三、固体对气体的吸附及气体的脱附
• 缺点：泵内油蒸汽的回流会直接造成真空 系统的污染。 • 应用领域：真空镀膜、真空炉、电子、化 工、航空、航天、冶金、材料、生物医药 、原子能、宇宙探测等领域。
思考：
1. 扩散泵能否单独使用，即从大气开始抽真空？为什么？ 2. 如果使用扩散泵时，忘记开冷却水，结果会怎样？
附：钛升华泵
加热钛靶蒸发生成钛膜，并与气体发生反应 工作范围 10-8-10-11 Torr 价格便宜，可靠
油扩散泵的结构如示意图
• 泵的底部—是装有真空泵油的蒸发器，真空泵油经电 炉加热沸腾后，产生一定的油蒸汽，蒸汽沿着蒸汽导 流管传输到上部，经由三级伞形喷口向下喷出。喷口 外面的压强较油蒸汽压低，于是便形成一股向出口方 向运动的高速蒸汽流，使之具有很好的运载气体分子 的能力。油分子与气体分子碰撞，由于油分子的分子 量大，碰撞的结果是油分子把动量交给气体分子自己 慢下来，而气体分子获得向下运动的动量后便迅速往 下飞去．并且，在射流的界面内，气体分子不可能长 期滞留，因而界面内气体分子浓度较小．由于这个浓 度差，使被抽气体分得以源源不断地扩散进入蒸汽流 而被逐级带至出口，并被前级泵抽走．慢下来的蒸汽 流在向下运动的过程中碰到水冷的泵壁，油分子就被 冷凝下来，沿着泵壁流回蒸发器继续循环使用．冷阱 的作用是减少油蒸汽分子进入被抽容器。
薄膜物理与技术-1真空技术基础PPT课件
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目录
• 真空技术基础 • 真空获得技术 • 真空测量技术 • 真空镀膜技术 • 薄膜性能检测技术
01 真空技术基础
真空定义与特性
真空定义
真空是指在给定的空间内，气体压力 低于一个大气压的状态。在真空技术 中，通常使用托斯卡或帕斯卡作为压 力单位。
真空特性
而实现气体的压缩和排除。
分子泵特性
抽气速率高、工作压力范围广、无 油污染、维护简单等。
分子泵分类
直联型分子泵、侧流型分子泵、复 合型分子泵等。
扩散泵抽气原理与特性
扩散泵抽气原理
利用加热的吸气剂将气体分子吸 进吸气剂表面，再通过扩散作用 将气体分子从吸气剂表面传递到 泵的出口，从而实现气体的排除。
扩散泵特性
真空技术的分类与应用
真空技术的分类
根据应用需求，真空技术可分为真空镀膜、真空热处理、真空电子器件制造等。
真空技术的应用
真空技术在科学研究、工业生产、航空航天、电子工业等领域有广泛应用，如 电子显微镜、太阳能电池、平板显示器的制造等。
02 真空获得技术
机械泵抽气原理与特性
机械泵抽气原理
机械泵分类
真空具有低气体压力的特性，这使得 物质在真空中表现出不同的物理和化 学性质。例如，气体分子间的碰撞减 少，气体分子的平均自由程增加。
真空的度量与单位
真空度
真空度是指真空空间内的气体压 力，通常用压力范围来表示，如 低真空、中真空、高真空和超高 真空。
真空单位
常用的真空单位有帕斯卡（Pa）、 托斯卡（Torr）和巴（bar）。1 Torr = 133.322368 Pascal。
利用高速旋转的叶轮将气体吸入，通 过压缩和排出来实现气体压缩和排除。
目录
• 真空技术基础 • 真空获得技术 • 真空测量技术 • 真空镀膜技术 • 薄膜性能检测技术
01 真空技术基础
真空定义与特性
真空定义
真空是指在给定的空间内，气体压力 低于一个大气压的状态。在真空技术 中，通常使用托斯卡或帕斯卡作为压 力单位。
真空特性
而实现气体的压缩和排除。
分子泵特性
抽气速率高、工作压力范围广、无 油污染、维护简单等。
分子泵分类
直联型分子泵、侧流型分子泵、复 合型分子泵等。
扩散泵抽气原理与特性
扩散泵抽气原理
利用加热的吸气剂将气体分子吸 进吸气剂表面，再通过扩散作用 将气体分子从吸气剂表面传递到 泵的出口，从而实现气体的排除。
扩散泵特性
真空技术的分类与应用
真空技术的分类
根据应用需求，真空技术可分为真空镀膜、真空热处理、真空电子器件制造等。
真空技术的应用
真空技术在科学研究、工业生产、航空航天、电子工业等领域有广泛应用，如 电子显微镜、太阳能电池、平板显示器的制造等。
02 真空获得技术
机械泵抽气原理与特性
机械泵抽气原理
机械泵分类
真空具有低气体压力的特性，这使得 物质在真空中表现出不同的物理和化 学性质。例如，气体分子间的碰撞减 少，气体分子的平均自由程增加。
真空的度量与单位
真空度
真空度是指真空空间内的气体压 力，通常用压力范围来表示，如 低真空、中真空、高真空和超高 真空。
真空单位
常用的真空单位有帕斯卡（Pa）、 托斯卡（Torr）和巴（bar）。1 Torr = 133.322368 Pascal。
利用高速旋转的叶轮将气体吸入，通 过压缩和排出来实现气体压缩和排除。
01190660薄膜材料与技术09级第1章真空技术基础
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)
1 真空技术基础
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
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）！
本课程的研究内容
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
换算基础：1 N＝105 dyne＝0.225 lbf 1 atm＝760 mmHg（torr）＝1.013×105 Pa＝1.013 bar
1 真空技术基础
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：
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
薄膜制备的真空技术基础
通过各种测量仪器和测量方法对真空状态下的气 体压力进行测量。
真空应用技术
将真空技术应用于各个领域，如电子、冶金、化 工、航空航天等。
02
真空镀膜技术
真空蒸发镀膜
总结词
真空蒸发镀膜是一种基于加热蒸发材料的镀膜技术，通过将材料加热至熔融状态 ，然后在真空中蒸发并凝结在基材表面形成薄膜。
详细描述
在真空蒸发镀膜过程中，蒸发源可以是电阻加热、电子束加热或激光加热等。蒸 发材料在高温下升华或熔化，然后在基材表面凝结形成薄膜。该技术适用于制备 金属、非金属、化合物等薄膜材料，具有操作简单、成膜速度快等优点。
磁控溅射镀膜
总结词
磁控溅射镀膜是一种基于溅射现象的镀膜技术，通过在真空 环境中利用磁场控制带电粒子轰击靶材表面，使靶材原子或 分子从表面溅射出来并在基材表面沉积形成薄膜。
详细描述
磁控溅射镀膜技术具有高沉积速率、高附着力、高纯度等优 点，广泛应用于制备各种金属、非金属、化合物等薄膜材料 。该技术可以通过改变工艺参数和靶材种类来控制薄膜的成 分和性能。
技术挑战
需要解决制备过程中材料的选择、成膜机制、界面反应等问题，以确 保获得高性能的薄膜。
低成本高效制备技术
总结词
详细描述
低成本高效制备技术是未来薄膜制备的重 要发展方向。
随着市场对薄膜材料需求的增加，低成本 高效制备技术将有助于降低生产成本，提 高生产效率，满足大规模应用的需求。
发展趋势
技术挑战
详细描述
通过优化真空系统的气体成分和压力，可以改变薄膜与 基材之间的相互作用，从而提高附着力。此外，对基材 进行适当的预处理，如清洗、表面活化等，也有助于增 强附着力。
薄膜性能优化
总结词
优化薄膜性能是薄膜制备的最终目标，涉及多个方面 。
真空应用技术
将真空技术应用于各个领域，如电子、冶金、化 工、航空航天等。
02
真空镀膜技术
真空蒸发镀膜
总结词
真空蒸发镀膜是一种基于加热蒸发材料的镀膜技术，通过将材料加热至熔融状态 ，然后在真空中蒸发并凝结在基材表面形成薄膜。
详细描述
在真空蒸发镀膜过程中，蒸发源可以是电阻加热、电子束加热或激光加热等。蒸 发材料在高温下升华或熔化，然后在基材表面凝结形成薄膜。该技术适用于制备 金属、非金属、化合物等薄膜材料，具有操作简单、成膜速度快等优点。
磁控溅射镀膜
总结词
磁控溅射镀膜是一种基于溅射现象的镀膜技术，通过在真空 环境中利用磁场控制带电粒子轰击靶材表面，使靶材原子或 分子从表面溅射出来并在基材表面沉积形成薄膜。
详细描述
磁控溅射镀膜技术具有高沉积速率、高附着力、高纯度等优 点，广泛应用于制备各种金属、非金属、化合物等薄膜材料 。该技术可以通过改变工艺参数和靶材种类来控制薄膜的成 分和性能。
技术挑战
需要解决制备过程中材料的选择、成膜机制、界面反应等问题，以确 保获得高性能的薄膜。
低成本高效制备技术
总结词
详细描述
低成本高效制备技术是未来薄膜制备的重 要发展方向。
随着市场对薄膜材料需求的增加，低成本 高效制备技术将有助于降低生产成本，提 高生产效率，满足大规模应用的需求。
发展趋势
技术挑战
详细描述
通过优化真空系统的气体成分和压力，可以改变薄膜与 基材之间的相互作用，从而提高附着力。此外，对基材 进行适当的预处理，如清洗、表面活化等，也有助于增 强附着力。
薄膜性能优化
总结词
优化薄膜性能是薄膜制备的最终目标，涉及多个方面 。
第1章薄膜技术的真空技术基础-文档资料
一般说来，工业上利用真空有下述几条理由：①化学 非活性；②热导低；③与气体分子之间的碰撞少；④ 压力低。通过本章的学习，可以了解真空环境对于薄 膜气相沉积的必要性，并为真空获得、真空测量及真 空应用等建立必要的理论基础。
桂林电子科技大学
1 真空的定义
真空泛指低于一个大气压的气体状态。与普通的大气压 状态相比，分子密度较为稀薄，从而气体分子与气体分 子，气体分子与器壁之间的碰撞几率要低些。 曾存在两种不同的说法：一是真空就是“真的空了”， 就是“什么也不存在的空间”。但目前即使用最先进的 真空制备手段所能达到的最高真空度1*10-11Pa，每立方 厘米体积中仍有3000个气体分子。因此它除了理论研究 外，并无多大实际意义； 另一种说法是“就真空使用者的目的而论的，只要该空 间的气体可以忽略不计，就可以认为是真空了。”
桂林电子科技大学
材料科学与工程学
1.4 真空泵的抽速
当真空管路流导为有限，真空容器出口与真空泵入口处 的气体压力不相等，但气体流量相等。泵的实际抽速S降 低为
S pC Q S p Sp C
即抽速S永远小于泵的理论抽速Sp，且永远小于管路流导 C。即S受Sp和C二者中较小的一个所限制。当Sp＝C时，S ＝Sp/2。因此设计真空系统的一个基本原则就是，保证 管路的流导C大于真空泵的理论抽速Sp。
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材料科学与工程学
1.1 真空的基本知识
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材料科学与工程学
1.1 真空的基本知识
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材料科学与工程学
1.2 真空的表征
1 气体分子的平均自由程
分子平均自由程：气体分子在两次碰撞的间隔时间里走 过的平均距离。假设某种气体分子的有效截面直径为d， 则该气体分子的平均自由程应该等于。
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1 真空的定义
真空泛指低于一个大气压的气体状态。与普通的大气压 状态相比，分子密度较为稀薄，从而气体分子与气体分 子，气体分子与器壁之间的碰撞几率要低些。 曾存在两种不同的说法：一是真空就是“真的空了”， 就是“什么也不存在的空间”。但目前即使用最先进的 真空制备手段所能达到的最高真空度1*10-11Pa，每立方 厘米体积中仍有3000个气体分子。因此它除了理论研究 外，并无多大实际意义； 另一种说法是“就真空使用者的目的而论的，只要该空 间的气体可以忽略不计，就可以认为是真空了。”
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材料科学与工程学
1.4 真空泵的抽速
当真空管路流导为有限，真空容器出口与真空泵入口处 的气体压力不相等，但气体流量相等。泵的实际抽速S降 低为
S pC Q S p Sp C
即抽速S永远小于泵的理论抽速Sp，且永远小于管路流导 C。即S受Sp和C二者中较小的一个所限制。当Sp＝C时，S ＝Sp/2。因此设计真空系统的一个基本原则就是，保证 管路的流导C大于真空泵的理论抽速Sp。
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材料科学与工程学
1.1 真空的基本知识
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材料科学与工程学
1.1 真空的基本知识
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1.2 真空的表征
1 气体分子的平均自由程
分子平均自由程：气体分子在两次碰撞的间隔时间里走 过的平均距离。假设某种气体分子的有效截面直径为d， 则该气体分子的平均自由程应该等于。
1-第1章 真空技术基础
早期技术落后，所制得的薄膜重复性较差，从而限
制了薄膜的应用。薄膜的应用最早只局限于抗腐性和制造
镜面。
在制备薄膜的真空系统和检测系统（如电子显微镜、低能
电子衍射以及其他表面分析技术）出现以后，薄膜的重复性才
大有改观，从此薄膜的应用也迅速拓展，尤其到了20世纪50年 代，随着电子工业和信息产业的兴起，薄膜技术和薄膜材料愈
1643年，意大利物理学家托里拆利
Байду номын сангаас
（Evangelista Torricelli，1608～1647）
与伽利略晚年的得意门生和亲密助手维 维安尼（Vincenzo Viviani ）一起在佛罗
伦萨做了著名的“托里拆利实验” ，证
明了大气压的存在，同时，也为人类揭 示了“真空”这个物理状态的存在。
在此后的几个世纪里，尤其是在20世纪初，真空技
不论哪一种类型上的真空，只要在给定空间内，气体压 强低于一个大气压的气体状态，均称之为真空。完全没有气
体的空间状态称为绝对真空。
目前，即使采用最先进的真空制备手段所能达到的最 低压强下，每立方厘米体积中仍有几百个气体分子。 因此，平时我们所说的真空均指相对真空状态。在真 空技术中，常用“真空度”这个习惯用语和“压强”这一 物理量表示某一空间的真空程度，但是应当严格区别它们 的物理意义。 某空间的压强越低意味着真空度越高，反之，压强高 的空间则真空度低。
1971年国际计量会议正式确定“帕斯卡”作为气体压
强的国际单位，1Pa = 1N/m2 7.510-3Torr 。
表1-1给出了目前真空技术中常用的压强单位及其之间 的换算关系。
●二、真空区域的划分
为了研究真空和实际使用方便，常常根据各压强范围
薄膜材料与薄膜技术答案
薄膜材料与薄膜技术答案薄膜材料与薄膜技术(答案)第一章真空技术基础1、膜的定义及分类。
答：当固体或液体的一维线性尺度远远小于它的其他二维尺度时，我们将这样的固体或液体称为膜。
通常，膜可分为两类：（1）厚度大于1mm的膜，称为厚膜；（2）厚度小于1mm的膜，称为薄膜。
2、人类所接触的真空大体上可分为哪两种？答：（1）宇宙空间所存在的真空，称之为“自然真空”；（2）人们用真空泵抽调容器中的气体所获得的真空，称之为“人为真空”。
3、何为真空、绝对真空及相对真空？答：不论哪一种类型上的真空，只要在给定空间内，气体压强低于一个大气压的气体状态，均称之为真空。
完全没有气体的空间状态称为绝对真空。
目前，即使采用最先进的真空制备手段所能达到的最低压强下，每立方厘米体积中仍有几百个气体分子。
因此，平时我们所说的真空均指相对真空状态。
4、毫米汞柱和托？答：“毫米汞柱（mmHg）”是人类使用最早、最广泛的压强单位，它是通过直接度量长度来获得真空的大小。
1958 年，为了纪念托里拆利，用“托（Torr）”，代替了毫米汞柱。
1 托就是指在标准状态下，1 毫米汞柱对单位面积上的压力，表示为1Torr=1mmHg。
5、真空区域是如何划分的？答：为了研究真空和实际使用方便，常常根据各压强范围内不同的物理特点，把真空划分为以下几个区域：（1）粗真空：l´105 ~ l´102 Pa，（2）低真空：l´102 ~ 1´10-1Pa，（3）高真空：l´10-1 ~ 1´10-6Pa和（4）超高真空：< 1´10-6Pa。
6、真空各区域的气体分子运动规律。
答：（1）粗真空下，气态空间近似为大气状态，分子仍以热运动为主，分子之间碰撞十分频繁；（2）低真空是气体分子的流动逐渐从黏滞流状态向分子状态过渡，气体分子间和分子与器壁间的碰撞次数差不多；（3）高真空时，气体分子的流动已为分子流，气体分子与容器壁之间的碰撞为主，而且碰撞次数大大减少，在高真空下蒸发的材料，其粒子将沿直线飞行；（4）在超高真空时，气体的分子数目更少，几乎不存在分子间的碰撞，分子与器壁的碰撞机会也更少了。
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
1.1.1 真空度的单位
不同真空度单位制间的换算关系：
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
1.1 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。
西安理工大学 Xi'an University of Technology
-6-
材料科学与工程学院 2008©
薄膜材料与技术
Thin Film Materials & Technologies
1 真空技术基础
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。
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！
西安理工大学 Xi'an University of Technology
薄膜制备的真空技术基础
01
分子流状态：在高真空环境下，气体的分子除了
02
与容器壁碰撞以外，几乎不发生气体分子间的相
03
互碰撞。
04
特点：气体分子平均自由程大于气体容器的尺寸
05
或与其相当。（高真空薄膜蒸发沉积系统、各种
06
材料表面分析仪器）
07
粘滞流状态：当气压较高时，气体分子的平均自
08
由程很短，气体分子间的相互碰撞较为频繁。
涡轮分子泵★ 工作原理： 高速旋转的叶片（2000-3000r/min）将动量传给气体分子，并使其向特定方向运动。 特点：压缩比高（氮气 109，氢气 103），无油。 适用范围：1~10-8 Pa
工作原理：
低温吸附泵
薄膜制备的真空技术基础
*
依靠气体分子在低温条件下自发凝结或被其他物质表面吸附而获得高真空。
薄膜制备的真空技术基础
*
设：回流量Qp，
令Q=0，极限真空度
实际抽速
流量相等
压力随时间的变化规律
t=0时的真空度
1.3 真空泵简介
薄膜制备的真空技术基础
*
01
03
02
旋片式机械真空泵★
薄膜制备的真空技术基础
*
工作原理： 依靠安置在偏心转子中的可以滑进滑出的旋片将气体隔离、压缩，然后排出泵体之外。
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本章小结
薄膜制备的真空技术基础
*
1
概念：平均自由程，通量，流导，抽速
2
真空的划分， 气体流动状态的划分（克努森准数Kn）
3
真空泵的工作原理及适用范围 （旋片式机械真空泵、涡轮分子泵、溅射离子泵）
4
真空计的工作原理及适用范围 （热偶真空规、电离真空规）
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因此，真空可分为
宇宙真空：宇宙存 空在 间的 内真空 人为真空：利用备 真获 空得 设的容器内真空
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)
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 ！
毫末汞柱 mm 制制 H（ g ） 1to＝ rr1mmH ＝1g/76a0tm
换算基础：1 N＝105 dyne＝0.225 lbf 1 atm＝760 mmHg（torr）＝1.013×105 Pa＝1.013 bar
1 真空技术基础
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：
结果：得到了“真空”的定义和大气压的定义与量度依据！
1 真空技术基础
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。
注意：真空，实际上指的是 一种低压的、稀薄的气体状态， ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ而不是指“没有任何物质存在”！
教学要求和考核方式：
1、不缺课，杜绝迟到，认真听讲，独立思考； 2、要复习并独立完成作业，作业要评分； 3、开卷考试，考核成绩 ＝ 作业（10%）+ 课堂（10%）+ 考试（80%）。
主要教学内容
第 1 章 真空技术基础（2 学时）
真空的基本知识、获得方法和测量技术
第 2 章 薄膜制备的化学方法（6 学时）
CVD 技术的原理、分类、设备工艺及应用场合 其它基于化学方法的薄膜制备技术的原理、特点和应用领域
第 3 章 薄膜制备的物理方法（6 学时）
蒸发、溅射、离子镀等 PVD 技术的原理、工艺及适用领域
第 4 章 薄膜的形成与生长（6 学时）
薄膜形核、生长、形成理论；典型生长机制及对应结构特征
第5章 薄膜表征（4 学时）
1 torr (1 mmHg) 1 Pa
1 bar
torr/mmHg
Pa
bar
1.333×102
1.333×10-3
(1.013×105/760) (1.013/760)
7.501×10-3
10-5
(760/1.013×105)
7.501×102
105
atm 1.316×10-3
(1/760)
9.869×10-6
薄膜材料与技术 Thin Film Materials & Technologies
武涛 副教授 2012年 秋季学期
课程简介
总学时数：24 学时，每周 4 学时，5-10 周 课程性质：材料类专业 院级任选课
学习：薄膜材料的合成制备、形成机制、成分结构、性质性能 掌握：薄膜材料的基本概念、一般规律 和 工艺方法 ！
本课程的研究内容
薄 形膜 成在 ， 长 形 凝 基 可 大 核 结 阶 片 分 段 上 为 伴 随 复 杂 物 涉 理化 及 化 物 材 学过 学 理 料 程 学 学
薄膜材料与技术
制备技术
主要研究：各种料 薄的 膜 形 成材成 分机 结制 构
特性性能
1 真空技术基础
薄膜材料现代表征方法的分类、原理和适用范围
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）！
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
(1/1.013×105)
9.869×10-1
PSI 1.9337×10-2
1.4504×10-4
1.4504×101
1 atm 1 PSI
760.0 51.7149
1.013×105 6.8948×103
1.013
1.4696×101
6.8948×10-2 6.8046×10-2
说明：1、mmHg是人类使用最早、最广泛的压强单位；
教材：
唐伟忠：薄膜材料制备原理、技术及应用（第2版）， 冶金工业出版社，2003
郑伟涛：薄膜材料与薄膜技术（第2版）， 化学工业出版社，2008
课程简介
主要参考书：
1、田民波，薄膜技术与薄膜材料，清华大学出版社，2006 2、M.Ohring，薄膜材料科学（第2版影印本），世界图书出版公司，2006 3、杨帮朝，薄膜物理与技术，电子科技大学出版社，2006 4、戴达煌，现代表面技术科学，冶金工业出版社，2004
1 真空技术基础
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 MK 制 制 S（ ，S即 制 I ） 1P＝ a1N/m2
主要单位制
厘米克秒 CG制 制 S（ ） 1ba＝ r106 dyne2/cm 英制F（ P制 S ） 1PS＝ I1lb/fin2
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