薄膜材料与技术 05级 第1、2章 课件

¨ 换算基础：1 N＝105 dyne＝0.225 lbf 1 atm＝760 mmHg（torr）＝1.013×105 Pa＝1.013 bar
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1 真空技术基础
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薄膜材料与技术
材料科学与工程学院 2008©
Thin Film Materials & Technologies
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
Æ 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!
因此，真空可分为
⎧宇宙真空：宇宙空间内存在的真空 ⎩⎨人为真空：利用真空设备获得的容器内真空
现代真空技术的极限：每 cm3空间内仅有数百个气体分子 Æ 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常数进行推算 (6.02×1023个/22.4×103cm3 ≈ 2.7×1019 个/cm3)
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1 真空技术基础
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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；
Æ 划分目的：为了研究真空和实际应用的便利； Æ 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； Æ 划分准则：理论上，可依据Knudsen数的不同进行划分。
第5章 薄膜表征（4 学时）
Æ 薄膜材料现代表征方法的分类、测试原理和应用范围 重点了解膜厚、组分和结构等特性的表征测试
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760.0 51.7149
1.013×105 6.8948×103
bar 1.333×10-3
(1.013/760)
10-5
1.013 6.8948×10-2
atm 1.316×10-3
(1/760)
9.869×10-6
(1/1.013×105)
9.869×10-1
6.8046×10-2
PSI 1.9337×10-2
气体分子 运动特点
大气状态 热运动剧烈
碰撞频繁
粘滞流 Æ分子流 分子-分子 与分子-器壁 碰撞几率相当
器壁碰撞为主 粒子直线飞行
分子数更少 分子间无碰撞 器壁碰撞几率也低
52-15(6)8(9)”
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Æ 化学气相沉积技术的原理、分类、设备工艺及应用场合 热生长、电镀、化学镀、溶胶-凝胶等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）
Æ 真空蒸发、溅射、离子镀及离子助沉积技术的原理、工艺技术及适用领域
第4章 薄膜的形成与生长（6 学时）
Æ 薄膜形核、生长理论，薄膜的形成与典型生长机制以及对应的组织形态特征
相关物理：
1）Knudsen数
定义： Kn
=
λ D
— —
气体分子的平均自由程 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！ Æ 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流）
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。
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
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
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 ＝ 作业成绩（10%） + 课堂成绩（10%）+ 考试成绩（80%）。
本课程讨论的对象：
1、什么是薄膜（Thin film）？ ① 相对尺度：固体/液体的某一维尺寸 << 其余二维尺寸； ② 绝对尺度：在此维度上材料厚度 < 1~5 μm Æ > 5 μm 称为涂层 (Coatings)
Æ 本课程讨论对象：固态薄膜 (Thin solid film)
2、本课程的研究内容是什么？
Æ 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) Æ 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！
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1 真空技术基础
1.1 真空的基本知识
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粘滞-分子流
分子流（自由分子流、Knudsen流）
Kn <0.01
0.01 Kn = 0.01~1
1
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Kn >> 1
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平均自由程（ λ ）：气体分子自由程的统计平均值。
λ=
1 2πσ 2n =
kT 2πσ 2P
式中：σ — 分子直径（m）；
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表明：
1）λ与P成反比，而与 T 成正比；
2）在气体种类和温度一定的情况下：λ ⋅ P = const
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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 Æ 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 Æ 是了解薄膜材料制备技术的基础！
1.4504×10-4
1.4504×101 1.4696×101
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 Æ 真空度用 Pa 作单位
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主要教学内容：
第1章 真空技术基础（2 学时）
Æ 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）
1.1 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
=
m M
RT
式中：n — 分子密度 (个/m3)； k — 玻尔兹曼常数，1.38×10-23 J/K；
P — 气体压强 (Pa)；
T — 气体温度 (K)；
V — 气体体积 (m3)；
m — 气体质量 (kg)；
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：
1 torr (1 mmHg) 1 Pa
1 bar 1 atm 1 PSI
torr/mmHg
Pa 1.333×102
(1.013×105/760)
7.501×10-3
(760/1.013×105)
7.501×102
105
薄膜在基片上形成，分为
⎧凝结⎫ ⎪⎪形核⎪⎪ ⎪⎨长大⎪⎬ ⎪⎩...... ⎪⎭
阶段
⎯伴⎯随⎯着复⎯杂的⎯物理⎯化学⎯过⎯程→
⎧制备技术
涉及
⎧材料学 ⎪⎨物理学 ⎪⎩化 学
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Æ
主要研究：薄膜的
⎪⎪形成机制 ⎪⎨成分结构
⎪⎩特性性能
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低真空
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高真空
超高真空 极高 真空
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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 Æ 气体从固体表面释出
¨ 注意：真空度和气压的意义相反 Æ 真空度↑ 意味着 气压↓
⎧国际单位制（MKS制，即SI制）→ 1 Pa＝1 N / m2
¨
主要单位制
⎪⎪厘米克秒制（CGS ⎪⎨英制（FPS制）→ 1
制）→ 1 bar＝106 PSI＝1lbf / in2
dyne/cm 2
⎪⎩毫末汞柱制（mmHg制）→ 1 torr＝1 mmHg＝1/ 760 atm
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武涛 副教授 2008年 秋季学期
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尺度
Kn 气体分子 流动特征
105 6.667×10-8
数十nm <<0.01
102 6.667×10-5 不到1 μm
≥0.01
10-1 6.667×10-2
cm量级 ≥1
粘滞流
过渡段
10-3 6.667 若干米
10-6 6.667×103
数 km >>1
10-9 6.667×106
几千km
分子流
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1.1 真空的基本知识
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 λ ⋅ P = 6.667 ×10−3 (m ⋅ Pa)
P (Pa)
λ (m)
M — 气体分子量 (kg/mol)； R — 普适气体常数，R = NA·k = 8.314 J/mol·K； NA — Avogadro常数，6.02×1023 个/mol；
P
=
nkT
⇒
n
=
P kT
Æ 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（λ）：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。
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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 Æ 真空度采用气体压强表征 Æ 真空度的单位 = 气体压强的单位
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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 Æ 一种低压的、稀薄的气体状态， Æ 而不是指“没有任何物质存在”！
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总学时数：24 学时
课程性质：材料类专业 院级任选课
Æ 学习掌握：薄膜材料的合成制备、形成机制、成分结构、性质性能 基本概念、一般规律和工艺方法！
教材与主要参考书：
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 参考书：1、田民波，薄膜技术与薄膜材料，清华大学出版社，2006