超高真空技术简介
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典型固体表面原子密度约为1015 cm-2 ，假设碰撞到表面上的分子
完全被吸附，则形成一个单层在10-6 torr的压力下仅需3s
在气压为10-10 Torr 或 10-11 Torr 时，吸附单分子层的时间将达几
小时到几十小时。
除了极少数特例外(Au,石墨)，所有的清洁表面都必须在超高真空
中获得和保持。
平均自由程
Flow ranges in vacuum
λ
d：分子球直径 n：气体密度
• Continuous flow (λ<<d) • Knudsen flow (λ~d) • Molecular flow (λ>>d)
超高真空
为各种表面科学 研究、材料生长 和器件应用的基 础
表面结构、能态 表面化学反应 表面吸附和生长动力学 表面纳米结构的制备和物性 磁性薄膜 分子自组装薄膜 半导体薄膜精确掺杂 分子束外延生长 大规模集成电路 溅射镀膜
c2 rms
3kBT
/
m
又有
ca (8 / 3 )1/ 2 crms
P nkBT
P n
kBT
得到 P(1/ 2kBTm)1/2
当P的单位取torr，T的单位取K，m由分子量M取代，有
3.5110 22 P /(TM )1/ 2 (cm-2 s-1)
N2分子量为28，室温293 K，1 torr压力下， = 3.881020 cm-2 s-1
静密封：CF法兰
刀口
铜垫圈
极限真空度<10-9 Pa，漏率<10-12 Pa m-3 s-1
动密封：机械运动
• 波纹管
短程移动和低速转动
• 磁耦合
长程移动和高速转动
角阀
橡胶或Cu垫片
闸板阀
“VITON A”
漏阀
sapphire copper
真空泵分类
泵的抽速和极限压强
定义气流率： 则质量变化率为：
常用物理量
1958年，第一界国际技术会议建议采用“托”(Torr)作为测量真空度 的单位。国际单位制(SI)中规定压力的单位为帕(Pa)。 1标准大气压(1atm)≈1.013×105Pa(帕)
1Torr≈1/760atm≈1mmHg
1Torr≈133Pa
1bar ≈ 1标准大气压 1mbar≈100Pa **********************************
工作原理
压缩比： 抽速： 平均速度：
– join metals at soldering temperatures of above 600C
• Fusing
– glass components (in glass equipment) and for glass-to-metal connections
• Metalized connections
百度文库
超高真空基础
真空分类 P < 10-6 Pa (10-8 Torr)
超高真空(Ultrahigh Vacuum)技术 －－获得清洁表面的前提
为什么需要超高真空技术？
由气体动力学方程，单位体积的气体分子与单位金属表面的碰撞频率
1 4 nca
n单位体积内气体分子个数 ca平均速度
而均方根速率为
超高真空应避免的材料
• Plastics，common steel，lead，indium， zinc, cadmium，water.
• Avoid all traces of hydrocarbons, including skin oils in a fingerprint.
超高真空腔体
• 饱和蒸汽压低 • 耐450度以上高温烘烤 • 气体渗漏可以忽略 • 强度足够大经得住大气压 • 高温下耐腐蚀
定义泵抽速： 设系统内部出气率和漏气率为Qi，泵的抽气率为Qo：
则有： 假设泵的抽速S和出气率Qi为常数：
在t时，系统达到极限压强：
压缩比
定义压缩比：
K P2 P1
其中P2和P1分别是泵的 出口和入口处的压强。
极限压强通常由压缩比和漏气率共同决定
涡轮分子泵 （molecular turbo pump）
表面物理学
江颖 量子材料中心
上节课回顾：清洁表面的制备及分子束外延
1. 清洁表面的获得 1.1 超高真空的意义 1.2 清洁表面的获得手段
2. 分子束外延简介 3. 外延生长
3.1 外延生长的定义 3.2 外延生长的动力学过程 4. 反射式高能电子衍射 5. 分子束外延应用实例
超高真空技术简介
• 超高真空基础 • 超高真空的获得 • 超高真空的测量 • 超高真空检漏
304, 316不锈钢
表面出气达到平衡的时间随温度的变化
室温
300 ºC
烘烤（150-200 ºC）
烘烤罩
加热带+铝箔
主要去除吸附在腔壁上的水和碳氢化合物
不可拆卸密封方式
• Welded connections
– stainless steel，aluminum
• Brazed connections
真空系统中的气体源
• 经容器壁和连接处的泄漏 • 虚漏 • 蒸发 • 体出气 • 表面出气 • 分解 • 高能粒子轰击出气
超高真空兼容的材料
• 玻璃，石英，Sapphire （观察窗） • 高纯金属，如：Cu，Al，不锈钢等（真空
腔体，真空零件） • 陶瓷，云母，teflon，Sapphire（绝缘） • 合成橡胶，环氧树脂，氟橡胶（O圈密封）
– Ceramic-to-metal connections
可拆卸密封方式
• rubber o-rings, molded rubber rings, • rubber diaphragms or cups, • soft metal/hard metal seals, • hard metal/hard metal seals, • soft metal/polished sapphire flat.
在表面科学中，用L(langmuir)表示气体在样品表面的暴露量， 定义：
1L = 10-6 torrs 例如：当系统压力为10-6 torr ，通入某气体的时间为1秒，则暴露量为1L
Multi-probe UHV system
Mini-UHV system
超高真空的获得
系统的极限压强
• 真空壳体及其内部的元部件的气流量 • 泵的有效抽速
完全被吸附，则形成一个单层在10-6 torr的压力下仅需3s
在气压为10-10 Torr 或 10-11 Torr 时，吸附单分子层的时间将达几
小时到几十小时。
除了极少数特例外(Au,石墨)，所有的清洁表面都必须在超高真空
中获得和保持。
平均自由程
Flow ranges in vacuum
λ
d：分子球直径 n：气体密度
• Continuous flow (λ<<d) • Knudsen flow (λ~d) • Molecular flow (λ>>d)
超高真空
为各种表面科学 研究、材料生长 和器件应用的基 础
表面结构、能态 表面化学反应 表面吸附和生长动力学 表面纳米结构的制备和物性 磁性薄膜 分子自组装薄膜 半导体薄膜精确掺杂 分子束外延生长 大规模集成电路 溅射镀膜
c2 rms
3kBT
/
m
又有
ca (8 / 3 )1/ 2 crms
P nkBT
P n
kBT
得到 P(1/ 2kBTm)1/2
当P的单位取torr，T的单位取K，m由分子量M取代，有
3.5110 22 P /(TM )1/ 2 (cm-2 s-1)
N2分子量为28，室温293 K，1 torr压力下， = 3.881020 cm-2 s-1
静密封：CF法兰
刀口
铜垫圈
极限真空度<10-9 Pa，漏率<10-12 Pa m-3 s-1
动密封：机械运动
• 波纹管
短程移动和低速转动
• 磁耦合
长程移动和高速转动
角阀
橡胶或Cu垫片
闸板阀
“VITON A”
漏阀
sapphire copper
真空泵分类
泵的抽速和极限压强
定义气流率： 则质量变化率为：
常用物理量
1958年，第一界国际技术会议建议采用“托”(Torr)作为测量真空度 的单位。国际单位制(SI)中规定压力的单位为帕(Pa)。 1标准大气压(1atm)≈1.013×105Pa(帕)
1Torr≈1/760atm≈1mmHg
1Torr≈133Pa
1bar ≈ 1标准大气压 1mbar≈100Pa **********************************
工作原理
压缩比： 抽速： 平均速度：
– join metals at soldering temperatures of above 600C
• Fusing
– glass components (in glass equipment) and for glass-to-metal connections
• Metalized connections
百度文库
超高真空基础
真空分类 P < 10-6 Pa (10-8 Torr)
超高真空(Ultrahigh Vacuum)技术 －－获得清洁表面的前提
为什么需要超高真空技术？
由气体动力学方程，单位体积的气体分子与单位金属表面的碰撞频率
1 4 nca
n单位体积内气体分子个数 ca平均速度
而均方根速率为
超高真空应避免的材料
• Plastics，common steel，lead，indium， zinc, cadmium，water.
• Avoid all traces of hydrocarbons, including skin oils in a fingerprint.
超高真空腔体
• 饱和蒸汽压低 • 耐450度以上高温烘烤 • 气体渗漏可以忽略 • 强度足够大经得住大气压 • 高温下耐腐蚀
定义泵抽速： 设系统内部出气率和漏气率为Qi，泵的抽气率为Qo：
则有： 假设泵的抽速S和出气率Qi为常数：
在t时，系统达到极限压强：
压缩比
定义压缩比：
K P2 P1
其中P2和P1分别是泵的 出口和入口处的压强。
极限压强通常由压缩比和漏气率共同决定
涡轮分子泵 （molecular turbo pump）
表面物理学
江颖 量子材料中心
上节课回顾：清洁表面的制备及分子束外延
1. 清洁表面的获得 1.1 超高真空的意义 1.2 清洁表面的获得手段
2. 分子束外延简介 3. 外延生长
3.1 外延生长的定义 3.2 外延生长的动力学过程 4. 反射式高能电子衍射 5. 分子束外延应用实例
超高真空技术简介
• 超高真空基础 • 超高真空的获得 • 超高真空的测量 • 超高真空检漏
304, 316不锈钢
表面出气达到平衡的时间随温度的变化
室温
300 ºC
烘烤（150-200 ºC）
烘烤罩
加热带+铝箔
主要去除吸附在腔壁上的水和碳氢化合物
不可拆卸密封方式
• Welded connections
– stainless steel，aluminum
• Brazed connections
真空系统中的气体源
• 经容器壁和连接处的泄漏 • 虚漏 • 蒸发 • 体出气 • 表面出气 • 分解 • 高能粒子轰击出气
超高真空兼容的材料
• 玻璃，石英，Sapphire （观察窗） • 高纯金属，如：Cu，Al，不锈钢等（真空
腔体，真空零件） • 陶瓷，云母，teflon，Sapphire（绝缘） • 合成橡胶，环氧树脂，氟橡胶（O圈密封）
– Ceramic-to-metal connections
可拆卸密封方式
• rubber o-rings, molded rubber rings, • rubber diaphragms or cups, • soft metal/hard metal seals, • hard metal/hard metal seals, • soft metal/polished sapphire flat.
在表面科学中，用L(langmuir)表示气体在样品表面的暴露量， 定义：
1L = 10-6 torrs 例如：当系统压力为10-6 torr ，通入某气体的时间为1秒，则暴露量为1L
Multi-probe UHV system
Mini-UHV system
超高真空的获得
系统的极限压强
• 真空壳体及其内部的元部件的气流量 • 泵的有效抽速