第1章-真空技术基础

ThinFilmMaterials&Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院2008©西安理工大学Xi'anUniversityofTechnology-1-本课程讨论的对象：什么是薄膜（Thinfilm）？本课程的讨论对象是什么？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)具有结构/功能特性的固态薄膜（thinsolidfilms）！ThinFilmMaterials&Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院2008©西安理工大学Xi'anUniversityofTechnology-2-本课程的研究内容薄膜材料与技术学化物理学材料学涉及阶段长大形核凝结形成，可分为薄膜在基片上伴随复杂物理化学过程特性性能成分结构形成机制制备技术料的主要研究：各种薄膜材ThinFilmMaterials&Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院2008©西安理工大学Xi'anUniversityofTechnology-3-1真空技术基础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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760mm的水银柱所产生的压力定义为1个大气压(1atm)1atm=760mmHg！结果：得到了“真空”的定义和大气压的定义与量度依据！ThinFilmMaterials&Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院2008©西安理工大学Xi'anUniversityofTechnology-4-1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，而不是指“没有任何物质存在”！因此，真空可分为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10-11Pa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)备获得的容器内真空人为真空：利用真空设存在的真空宇宙真空：宇宙空间内ThinFilmMaterials&Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院2008©西安理工大学Xi'anUniversityofTechnology-5-1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主要单位制换算基础：1N＝105dyne＝0.225lbf1atm＝760mmHg（torr）＝1.013×105Pa＝1.013baratm760/1mmHg1torr1mmHgin/lbf1PSI1FPSdyne/cm10bar1CGSm/N1Pa1SIMKS2262＝＝制）毫末汞柱制（＝制）英制（＝制）厘米克秒制（＝制）制，即国际单位制（ThinFilmMaterials&Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院2008©西安理工大学Xi'anUniversityofTechnology-6-1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：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：1torr＝1mmHg2、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torr/mmHgPabaratmPSI1torr(1mmHg)1.333×102(1.013×105/760)1.333×10-3(1.013/760)1.316×10-3(1/760)1.9337×10-21Pa7.501×10-3(760/1.013×105)10-59.869×10-6(1/1.013×105)1.4504×10-41bar7.501×1021059.869×10-11.4504×1011atm760.01.013×1051.0131.4696×1011PSI51.71496.8948×1036.8948×10-26.8046×10-2ThinFilmMaterials&Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院2008©西安理工大学Xi'anUniversityofTechnology-7-1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。相关物理：1）Knudsen数定义：物理意义：是描述稀薄气体流动状态的准数！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）粘滞-分子流分子流（自由分子流、Knudsen流）Kn0.010.01Kn=0.01~11Kn1DKn—气体分子的平均自由程—流场特征尺寸（如：管径）ThinFilmMaterials&Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院2008©西安理工大学Xi'anUniversityofTechnology-8-1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3）理想气体状态方程：，式中：n—分子密度(个/m3)；k—玻尔兹曼常数，1.38×10-23J/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)；M—气体分子量(kg/mol)；R—普适气体常数，R=NA·k=8.314J/mol·K；NA—Avogadro常数，6.02×1023个/mol；4）气体分子的自由程（）：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。平均自由程（）：气体分子自由程的统计平均值。式中：—分子直径（m）；TnPkTmPVRMTnPkTPnk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。PTn22π2kπ21表明：1）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：constPThinFilmMaterials&Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院2008©西安理工大学Xi'anUniversityofTechnology-9-1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5）真空区域的工程划分：空气在室温下满足记忆方法：“52-168(159)”)Pam(10667.63PP(Pa)10510210-110-310-610-9(m)6.667×10-86.667×10-56.667×10-26.6676.667×1036.667×106尺度数十nm不到1mcm量级若干米数km几千kmKn0.01≥0.01≥11气体分子流动特征粘滞流过渡段分子流气体分子运动特点大气状态热运动剧烈碰撞频繁粘滞流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真空区域工程划分粗真空低真空高真空超高真空极高真空ThinFilmMaterials&Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院2008©西安理工大学Xi'anUniversityofTechnology-10-1真空技术基础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。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！ThinFilmMaterials&Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院2008©西安理工大学Xi'anUniversityofTechnology-11-1真空技术基础1.1真空的基本知识小结（课后作业）：1、真空如何定义（概念）？如何表征？有哪些单位制？如何换算？2、为什么要划分真空区域？其依据是什么？关键参数如何定义？3、工程上如何划分真空区域？各个真空区域的气体分子的物理运动特征如何？4、什么是吸附和脱附？为什么要关注？其主要机制和影响因素有哪些？1.2真空的获得真空的获得：就是所谓的“抽真空”！利用各种真空泵把容器内的空气抽出，使其内部压强保持在1atm的特定压强范围！获得真空的主要工具各种真空泵（Pump）！真空泵的分类。空间内的气体分子吸除吸气材料和装置将被抽气体捕获泵：利用各种泵达到排气的目的。体不断吸入并排出真空气体输运泵：通过将气ThinFilmMaterials&Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院2008©西安理工大学Xi'anUniversityofTechnology-12-1真空技术基础1.2真空的获得真空泵的分类及常用工作压强范围说明：从大气压力开始抽气，没有一种真空泵可以涵盖从1atm到10-8Pa的工作范围真空泵往往需要多种泵组合构成复合抽气系统实现以更高的抽气效率达到所需的高真空！气体输运泵旋片式机械泵（RotaryPump）单级：105~1Pa双级：105~10-2Pa罗茨泵（BoosterPump/RootsPump）103~10-1Pa油扩散泵（DiffusionPump）1~10-6Pa涡轮分子泵（TurbomolecularPump）1~10-8Pa。。。气体捕获泵溅射离子泵（IonPump）10-3~10-11Pa钛升华泵（TitaniumSublimationPump）10-3~10-11Pa低温冷凝泵（CyroPump）10-4~10-11Pa吸附泵（SorptionPump）102~10-3Pa。。。ThinFilmMaterials&Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院2008©西安理工大学Xi'anUniversityofTechnology-13-1真空技术基础1.2真空的获得1.2.1旋片式机械泵（RotaryPump）（a）外观（b）内部结构（c）工作原理1、扩张（吸气）2、容积最大3、压缩4、排气机械泵：利用机械运动部件转动或滑动形成的输运作用获得真空的泵。分类：旋片式（最常见）、定片式、滑阀式运转模式：吸气压缩排气（不断循环）基本特点：需加真空油（密封用）；可从大气压开始工作；真空度要求低可单独使用；真空度要求高作为前级泵使用工作区间：单级：105~1P