2018--薄膜材料与技术-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-1 真空技术基础
2 dN m 2 mv 4 v 2 dv exp 2kT N 2 kT N 容器中气体分子总数，m为气体分子质量,T为温度。 3
dN 麦克斯韦速度分布函数 m确定，温度确定， f (v )dv N 3 2 m 2 2 m v f (v) 4 exp v 2kT 2kT
(1/1.013×105)
1 PSI
51.7149
6.8948×103
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； 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
1 真空技术基础
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 7.501×10-3 7.501×102 760.0
(760/1.013×105)
1.1 真空的基本知识
法定计量单位
bar 1.333×10-3
(1.013/760)
va
m
M
1.59
M
3. 均方根速率
计算分子平均动能
vr :va :vm =1.225: 1.128: 1
3kT 3RT RT vr 1.73 m M M
1 真空技术基础
1.2.2 气体分子的速度分布
1.2 稀薄气体的性质
例1． 计算400K温度下氧气的方均根速率、平均速率和最可 几速率。
dN 麦克斯韦速度分布函数 m确定，温度确定， f (v )dv N 3 2 m 2 2 m v f (v) 4 exp v 2kT 2kT
(1/1.013×105)
1 PSI
51.7149
6.8948×103
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； 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
1 真空技术基础
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 7.501×10-3 7.501×102 760.0
(760/1.013×105)
1.1 真空的基本知识
法定计量单位
bar 1.333×10-3
(1.013/760)
va
m
M
1.59
M
3. 均方根速率
计算分子平均动能
vr :va :vm =1.225: 1.128: 1
3kT 3RT RT vr 1.73 m M M
1 真空技术基础
1.2.2 气体分子的速度分布
1.2 稀薄气体的性质
例1． 计算400K温度下氧气的方均根速率、平均速率和最可 几速率。
薄膜物理与技术-1真空技术基础PPT课件
薄膜物理与技术-1真空技术基础 ppt课件
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。
薄膜技术的真空技术基础
式中，n为单位体积内的气体分子数。从此式可知，分子流条件下管路的流导不仅取决于管路的几何尺寸，还与气体的种类和温度有关。
桂林电子科技大学
材料科学与工程学
1.3 真空系统的导流能力——流导
对于黏滞流状态：流导随气体压力升高而增加。不同形状管路的流导已被编制成图表不同流导C1、C2、C3间可相互串联或并联，构成总流导C——串联流导：1/C= 1/C1+ 1/C2+ 1/C3——并联流导：C=C1+C2+C3（就象描述气体流动的欧姆定律）
单击此处添加小标题
工作原理：两个8字形的转子以相反的方向旋转，两个转子始终保持相切合，咬合精度很高，切合处气体始终不能通过，只能从上、下两边被扫出真空系统。极限真空度： 10-2Pa左右；优点：结构简单、无油气回流，抽 速很大。缺点：泵体与转子发热、膨胀，造成泵体损坏；当气体压力低于10-1 Pa时，气体回流造成抽速降低。适用压力范围：10-1～1000Pa。
1.1 真空的基本知识
按上述第二种说法，比如炮弹在高于大气压的空间飞行是没有问题的，因此可以将高于大气压的空间看作是真空，而对于表面研究，10-8Pa才称得上是真空。
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。
为了获得真空至少需要
1.1 真空的基本知识
1.2 真空的表征
气流与流导气体流动状态与气体压力、真空容器尺寸的关系根据Knudsen准数Kn:Kn<1: 分子流状态Kn>110粘滞流状态
粘滞态气流的两种不同的流动状态根据Reynolds准数Re:式中，d为容器的特征尺寸（如管路的直径）；υ、ρ、η分别是气体的流速、密度和动力学黏度系数。Re>2200 紊流状态 Re<1200 层流状态
桂林电子科技大学
材料科学与工程学
1.3 真空系统的导流能力——流导
对于黏滞流状态：流导随气体压力升高而增加。不同形状管路的流导已被编制成图表不同流导C1、C2、C3间可相互串联或并联，构成总流导C——串联流导：1/C= 1/C1+ 1/C2+ 1/C3——并联流导：C=C1+C2+C3（就象描述气体流动的欧姆定律）
单击此处添加小标题
工作原理：两个8字形的转子以相反的方向旋转，两个转子始终保持相切合，咬合精度很高，切合处气体始终不能通过，只能从上、下两边被扫出真空系统。极限真空度： 10-2Pa左右；优点：结构简单、无油气回流，抽 速很大。缺点：泵体与转子发热、膨胀，造成泵体损坏；当气体压力低于10-1 Pa时，气体回流造成抽速降低。适用压力范围：10-1～1000Pa。
1.1 真空的基本知识
按上述第二种说法，比如炮弹在高于大气压的空间飞行是没有问题的，因此可以将高于大气压的空间看作是真空，而对于表面研究，10-8Pa才称得上是真空。
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。
为了获得真空至少需要
1.1 真空的基本知识
1.2 真空的表征
气流与流导气体流动状态与气体压力、真空容器尺寸的关系根据Knudsen准数Kn:Kn<1: 分子流状态Kn>110粘滞流状态
粘滞态气流的两种不同的流动状态根据Reynolds准数Re:式中，d为容器的特征尺寸（如管路的直径）；υ、ρ、η分别是气体的流速、密度和动力学黏度系数。Re>2200 紊流状态 Re<1200 层流状态
第一章 薄膜制备的真空技术基础
公式得到：
≈50nm。表明在常温常压下，气体分子的平均自由程是
极短的。
（2）由气体分子的平均自由程还可以求出其平均碰撞频率 =va/λ（常温常压时，va=460m/s）。所以常温常压下，每个 空气分子每秒内要经历1010次碰撞。运动轨迹并不是直线， 而是不断碰撞改变方向。
1.1 气体分子运动论的基本概念
*思考题：平均自由程在制膜中的重要作用？
答影响气体分子到达衬底的分子能量，能量对成膜结构质量有很多影响。 自由程小→碰撞多→气体分子能量↓→薄膜疏松、不致密
1.1 气体分子运动论的基本概念
3 . 气体分子的平均自由程----补充
（1） 在常温常压条件下，空气分子的有效截面直径d ≈0.5nm。
由T=298K，P=nKT(P=101325Pa），代入
1.1 气体分子运动论的基本概念
2 气体分子运动速度及其分布 (Maxwell分布）
真空容器中气体分子运动是混乱的。气体分子进行无规
则热运动的每一时刻，每个分子的运动速率有偶然性，然而，
对于大量气体分子而言，其速率分布遵循统计规律。
1.1 气体分子运动论的基本概念
2 气体分子运动速度及其分布 (Maxwell分布）
为（GB3163-82）：
低真空： 102Pa 中真空： 102~10-1Pa 高真空： 10-1~10-5Pa 超高真空： 10-5Pa
工业应用（包装） CVD沉积技术 溅射沉积技术 原子表面和界面分析
4. 真空及制膜设备
超高真空条件下，气体分子以在固体上吸附停留为主， 其它真空度时，气体分子以空间飞行为主。
2 气体分子运动速度及其分布 (Maxwell分布）
为了更深入地理解速率分布函数所表达的意义，以下图 H2和N2分子为例，对其速率分布进行了定量描述。
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 。
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
引言及真空技术基础
第一讲第一讲小结小结薄膜材料在现代科技领域占有重要的地位可作薄膜材料在现代科技领域占有重要的地位可作为大家今后作为材料科学家或工程师的职业方向为大家今后作为材料科学家或工程师的职业方向真空技术是现代薄膜材料技术的基础真空技术是现代薄膜材料技术的基础不同的薄膜制备方法涉及到不同的真空环境不同的薄膜制备方法涉及到不同的真空环境真空度真空度不同的真空度需要采用不同的真空获得方法与真不同的真空度需要采用不同的真空获得方法与真空测量方法空测量方法基本概念复习基本概念复习为什么在薄膜制备技术的讨论中先要讨论为什么在薄膜制备技术的讨论中先要讨论真空环境与真空技术
在常温常压下， 3.510-9秒； 10-8Pa时， 10 小时 这一方面说明了真空环境的重要性。同时, 气体分子通量还决定了薄膜的沉积速率。
真空度的划分
在薄膜技术领域，人为地将真空环境粗略 地划分为:
低真空 中真空 高真空
>102 Pa 102 10-1 Pa 10-1 10-5 Pa
薄膜材料制备技术
Thin Film Materials
北京科技大学材料科学学院 唐伟忠
Tel:
E-mail: 课件下载网址： 下 载 密 码：
6233 4144
wztang@ wztang_teaching@ 123456
参考书及参考资料网址
参考书：《薄膜材料制备原理、技术及应用》 冶金出版社 1998年5月第一版，2003年1月第二版 邮箱地址：wztang_teaching@ 密码： 123456 邮箱地址：wztang_teaching@ 密码： 123456
薄膜材料技术的研究内容
薄膜材料的体系、性能与应用
早期的薄膜制备方法
Old preparation procedures include:
在常温常压下， 3.510-9秒； 10-8Pa时， 10 小时 这一方面说明了真空环境的重要性。同时, 气体分子通量还决定了薄膜的沉积速率。
真空度的划分
在薄膜技术领域，人为地将真空环境粗略 地划分为:
低真空 中真空 高真空
>102 Pa 102 10-1 Pa 10-1 10-5 Pa
薄膜材料制备技术
Thin Film Materials
北京科技大学材料科学学院 唐伟忠
Tel:
E-mail: 课件下载网址： 下 载 密 码：
6233 4144
wztang@ wztang_teaching@ 123456
参考书及参考资料网址
参考书：《薄膜材料制备原理、技术及应用》 冶金出版社 1998年5月第一版，2003年1月第二版 邮箱地址：wztang_teaching@ 密码： 123456 邮箱地址：wztang_teaching@ 密码： 123456
薄膜材料技术的研究内容
薄膜材料的体系、性能与应用
早期的薄膜制备方法
Old preparation procedures include:
(完整版)电子科大薄膜物理(赵晓辉)第一章真空介绍
PV＝nmolRT=nmolecularkT=nMvrms2/3NA nmol=m/M nmolecular =7.2*1022P/T
2. 气体分子的速度分布 • 麦克斯韦速度分布函数
表示分布在速度 附近单位速度间隔内 的分子数占总分子数的比率。
气体分子速度分布
3. 三个重要速度表示
• 最可几速度 ： • 平均速度 • 均方根速度
4. 压力单位
Pressure unit
Pa
Pa
1
Bar
Atm
0.00001 9.869×10-6
Bar
100000 1
9.869×10-1
Atm
101325 1.01325 1
Torr
133.32 0.001333 1.316×10-3
Torr 7.501×10-3 7.501×102 760 1
vacuum-bottle, 真空瓶，真空干燥器，真空注入，溅射，LPCVD
高真空 10-1－10-6Pa :蒸发，离子源 超高真空 ＜10-6Pa ：表面分析，粒子物理
§1-2 稀薄气体的基本性质
1. 理想气体状态方程
低压状态下，可用理想气体的状态方程 （波义尔定律、盖·吕萨克定律、查理定律） 来描述，遵守麦克斯韦——玻尔兹曼分布。
SYMBOL
N2 O2 Ar CO2 Ne He Kr H2 Xe H2O
PERCENT BY VOLUME
78 21 0.93 0.03 0.0018 0.0005 0.0001 0.00005 0.0000087 Variable
PARTIAL PRESSURE
TORR
PASCAL
593 158 7.1 0.25 1.4 x 10-2 4.0 x 10-3 8.7 x 10-4 4.0 x 10-4 6.6 x 10-5 5 to 50
2. 气体分子的速度分布 • 麦克斯韦速度分布函数
表示分布在速度 附近单位速度间隔内 的分子数占总分子数的比率。
气体分子速度分布
3. 三个重要速度表示
• 最可几速度 ： • 平均速度 • 均方根速度
4. 压力单位
Pressure unit
Pa
Pa
1
Bar
Atm
0.00001 9.869×10-6
Bar
100000 1
9.869×10-1
Atm
101325 1.01325 1
Torr
133.32 0.001333 1.316×10-3
Torr 7.501×10-3 7.501×102 760 1
vacuum-bottle, 真空瓶，真空干燥器，真空注入，溅射，LPCVD
高真空 10-1－10-6Pa :蒸发，离子源 超高真空 ＜10-6Pa ：表面分析，粒子物理
§1-2 稀薄气体的基本性质
1. 理想气体状态方程
低压状态下，可用理想气体的状态方程 （波义尔定律、盖·吕萨克定律、查理定律） 来描述，遵守麦克斯韦——玻尔兹曼分布。
SYMBOL
N2 O2 Ar CO2 Ne He Kr H2 Xe H2O
PERCENT BY VOLUME
78 21 0.93 0.03 0.0018 0.0005 0.0001 0.00005 0.0000087 Variable
PARTIAL PRESSURE
TORR
PASCAL
593 158 7.1 0.25 1.4 x 10-2 4.0 x 10-3 8.7 x 10-4 4.0 x 10-4 6.6 x 10-5 5 to 50
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。
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）
薄膜真空技术PPT课件
➢ 10-4 Torr to 10-11 Torr
溅射离子泵
优点 • 干净，无油污染 • 无运动部分，无振动，无噪音 • 低功耗，使用时间长 • 无断电问题
缺点 • 对惰性气体效率低 • 每隔几年需要对阴极材料进行 再生
钛升华泵
原理：
➢ 加热Ti丝使其蒸发到冷壁. ➢ Ti原子与气体反应.
优点及缺点：
➢ 工作范围 10-8-10-11 Torr ➢ 便宜，可靠，无噪音，无振动，无断
电问题 ➢ 需要再生，很难排除惰性气体和甲烷
上表可以看出每一种真空泵都有一个工作范围，目前没有任何 一种真空泵可以从大气压一直工作到接近超高真空的。
为此，必须将几种泵联合使用，如 机械泵、油扩散泵联合 的有油系统和吸附泵、溅射离子泵、钛升华泵联合的无油系统
• 扩散泵油易挥发，因此在进气口都有挡油的冷阱
吸附泵
3.51022 p
MT
➢ 液氮冷却有很大表面积的分子筛 ➢ >200 °C 烘烤除去吸附的气体 ➢ 极限真空与泵的温度相关。 ➢ 简单，无振动，便宜，无油污染 ➢ 10-3 Torr-> 10-10 Torr (可以用两个
泵交替工作) ➢ 很容易饱和多泵联合工作
是最常见的 HV/UHV泵
涡轮分子泵
优点 • 基本没有油的污染 • 启动和关闭很快
缺点 • 噪声大，有振动。 • 电磁污染。 • 比较昂贵。
油扩散泵
➢ 加热油从喷嘴喷出，气体分 子与油分子碰撞，向出气口 运动
➢ 需要水冷，前级泵
➢ 10-3 to 10-7 Torr (to 10-9 Torr， 液氮冷阱)
1、热真空计
测定因温度变化而引起灯丝电阻变化的真空计，称为皮拉尼（Pirani） 真空计 用热电偶测定温度变化引起电动势变化的真空计，称为热电偶真空计 测量范围：102～10-1 Pa
溅射离子泵
优点 • 干净，无油污染 • 无运动部分，无振动，无噪音 • 低功耗，使用时间长 • 无断电问题
缺点 • 对惰性气体效率低 • 每隔几年需要对阴极材料进行 再生
钛升华泵
原理：
➢ 加热Ti丝使其蒸发到冷壁. ➢ Ti原子与气体反应.
优点及缺点：
➢ 工作范围 10-8-10-11 Torr ➢ 便宜，可靠，无噪音，无振动，无断
电问题 ➢ 需要再生，很难排除惰性气体和甲烷
上表可以看出每一种真空泵都有一个工作范围，目前没有任何 一种真空泵可以从大气压一直工作到接近超高真空的。
为此，必须将几种泵联合使用，如 机械泵、油扩散泵联合 的有油系统和吸附泵、溅射离子泵、钛升华泵联合的无油系统
• 扩散泵油易挥发，因此在进气口都有挡油的冷阱
吸附泵
3.51022 p
MT
➢ 液氮冷却有很大表面积的分子筛 ➢ >200 °C 烘烤除去吸附的气体 ➢ 极限真空与泵的温度相关。 ➢ 简单，无振动，便宜，无油污染 ➢ 10-3 Torr-> 10-10 Torr (可以用两个
泵交替工作) ➢ 很容易饱和多泵联合工作
是最常见的 HV/UHV泵
涡轮分子泵
优点 • 基本没有油的污染 • 启动和关闭很快
缺点 • 噪声大，有振动。 • 电磁污染。 • 比较昂贵。
油扩散泵
➢ 加热油从喷嘴喷出，气体分 子与油分子碰撞，向出气口 运动
➢ 需要水冷，前级泵
➢ 10-3 to 10-7 Torr (to 10-9 Torr， 液氮冷阱)
1、热真空计
测定因温度变化而引起灯丝电阻变化的真空计，称为皮拉尼（Pirani） 真空计 用热电偶测定温度变化引起电动势变化的真空计，称为热电偶真空计 测量范围：102～10-1 Pa
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薄膜在基片上 形成，可分为
凝结 形核 长大
阶段
伴随复杂物理化学过程
涉及
材料学 物理学 化 学
薄膜材料与技术
制备技术
主要研究：各种薄膜材 料的
形成机制 成分结构
特性性能
西安理工大学
Xi'an University of Technology
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%）。
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薄膜材料与技术
材料科学与工程学院 2018 ©
Thin Film Materials & Technologies
薄膜材料与技术 Thin Film Materials & Technologies
武涛 副教授 2018年 秋季学期
西安理工大学
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薄膜材料与技术
材料科学与工程学院 2018 ©
■ 换句话说，由于液柱形成的压力与环境气压互相平衡， 可以用 水银柱产生的压力 作为 大气压 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（Torr，托）
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薄膜材料与技术
材料科学与工程学院 2018 ©
1 真空技术基础
Thin Film Materials & Technologies
真空与 薄膜材料与技术 有何关系 ？
制备现代薄膜材料 —— 大部分情况下需要在 真空或较低的气压条件下 进行， 涉及 真空下气相产生、输运、反应、凝聚、沉积 等过程 ！
主要教学内容
Thin Film Materials & Technologies
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（4 学时）
CVD 技术；电化学成膜方法；溶液化学镀膜技术
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
因此：
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 的必要基础 ！
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薄膜材料与技术
材料科学与工程学院 2018 ©
1 真空技术基础
Thin Film Materials & Technologies
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薄膜材料与技术
材料科学与工程学院 2018 ©
1 真空技术基础
Thin Film Materials & Technologi系；真空度的物理意义、单位制及换算方法； 真空区域的划分与气体流动特征对应关系。
2、真空泵的分类及工作气压范围； 常用真空泵的结构工作原理、特点、应用范围及局限性。
课程简介
Thin Film Materials & Technologies
总学时数：24 学时，每周 4 学时，1-6 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 ！
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
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（5 学时）
薄膜材料现代表征方法的分类、原理和适用范围
第6章 先进薄膜材料简介（1 学时）
超硬薄膜、纳米薄膜及功能薄膜材料简介
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1.1 真空的基本知识
回顾：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）
■ 右图中 A、B、C 三点压力相等，其中： A、C点：环境气体产生的大气压；B点：水银柱产生的流体压力
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薄膜材料与技术
材料科学与工程学院 2018 ©
本课程讨论的对象：
Thin Film Materials & Technologies
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）！
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薄膜材料与技术
材料科学与工程学院 2018 ©
本课程的研究内容
Thin Film Materials & Technologies
3、真空测量仪表的分类及总体特点； 典型真空计的测量原理、适用范围、应用特点及局限性。
本章重点
1、不同单位制真空度换算； 2、真空区域划分-气体流动特征关系； 3、典型真空泵工作原理及适用范围； 4、常用真空计工作原理及特点。
本章难点
■ 真空区域划分的依据； ■ 各种真空泵的工作原理； ■ 电离真空计的问题及改进。
郑伟涛：薄膜材料与薄膜技术（第2版）， 化学工业出版社，2008
西安理工大学
Xi'an University of Technology
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薄膜材料与技术
材料科学与工程学院 2018 ©
课程简介
Thin Film Materials & Technologies
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