,第,1,章 薄膜制备的,真空技术基础,检位院棕达宛敢稽填闯唉烂阐虎挽童蹋甘侮侠苯汝米社介滴肪鸥科跟做咏第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.,真空的定义：真空泛指压力低于一个 大气压的任何气态空间。,1.1,真空的基本知识,2.,真空度的单位,真空度实质上与气体压力是同一物理概念。真空度越高，即气体压力越小；反之真空度越低，即气体压力越大。真空度的上限就是一个标准大气压，即,760,毫米汞柱。,粗挡拣根标朵淋酉接他矢制名猜骑涧澜述潦镣瞥寥额戌你人瑚神儒寺像敬第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.1,真空的基本知识,-,大气压,(atm):,标准的大气压力定义为,1 atm,-,帕,(Pa):N/m,2,(,常用单位：,Pa),-,巴,(Bar):Dy/cm,2,(,常用单位：,mBar),-,乇,(Torr):1/760 atm,(,常用单位：,Torr),领镭践盈击葡邑绞蜒百菌咎旧颐和砰催矩芳听啮恰错刀碑练黔衔蔓隔惨皂第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.2,气体分子运动论的基本概念,1,、气体分子的平均运动速度,V,a,温度越高、气体分子的相对原子质量越小，则分子的平均运动速度越大。,（,1,）,2,、气体的压力,（,2,）,俩籍铸蝉吹捞杏惯毒羊铬舷薯讳通算讯爪倪弦输溅牟钵盲肝跋仔豁卯死叮第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,3,、碰撞频率,（气体分子通量）,：在单位时间,单位面积表面受到气体分子碰撞的次数,。,1.2,气体分子运动论的基本概念,（,3,）,将式（,1,）和（,2,）代入上式，可以求出气体分子的通量：,倦敬哥河校乘玖秸驾极敖服音档差札祖删流凹喻林绷椽冗巧鸽惜饶嚼趣慢第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.2,气体分子运动论的基本概念,4,、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。,式中,d,为气体分子的有效截面直径。气体分子的平均自由程与气体分子的密度,n,成反比。,5,、真空度的划分,低真空：,10,2,Pa,中真空：,10,2,10,-1,Pa,高真空：,10,-1,10,-5,Pa,超高真空：,10,-5,Pa,裴勺票迪木感奇滞蔚广页汤故镶遁芽凭棚磐慕鱼肘晃籽癣客呈独谆将朗俭第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.3,气体的流动状态和真空抽速,1,、气体的流动状态,在高真空环境中，气体分子除了与容器器壁发生碰撞以外，几乎不发生气体分子间的碰撞过程。这种气体的流动状态被称为气体的,分子流状态。,分子流的特点,是气体分子的平均自由程大于气体容器的尺寸或与其相当。,当气体压力较高时，气体分子的平均自由程较短，气体分子间的相互碰撞较为频繁，这种气体的流动状态称为气体的,黏滞流状态,。,悯辗腑曰跳邪埂辩露爷孤脯恫迅灯允卡概奇姐唱伟叁待嘿时前涩薯常秽督第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.3,气体的流动状态和真空抽速,上述两种气体流动状态间的界线可以借助一个无量纲的参数,克努森（,Knudsen,）准数,Kn,来划分，定义为：,Kn 110,粘滞流状态,传伦蹋磁桑躬于忠韦惹刮未子苔青孙率柳佑控挪斜漆服另谱隶蛙礁钳姬喧第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.3,气体的流动状态和真空抽速,黏滞流状态,的气体流动模式复杂，在低流速的情况下，黏滞流状态的气流处于,层流状态,；在流速较高时，气体的流动状态转变为,紊流状态,。,所谓,层流状态，,相当于气体分子的宏观运动方向与一组相互平行的流线相一致。,在流速较高的情况下，气体的流动不再能够维持相互平行的层流模式，而会转变为一种漩涡式的流动模式。这时，气流中不断出现一些低气压的漩涡，这种气体的流动状态成为,紊流状态,。如下图所示。,酒缮盯啥盛姚素山裤乳穿壳隧禽斩和筐询辫亚妨杖丰昼羌乌粒压胺吐笼蝗第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.3,气体的流动状态和真空抽速,图,1.3,黏滞态气流的两种流动状态,（,a),层流；（,b),紊流,楷唾欺蛀重烫狈镐僧贼遍患趟恭说塘铝笼慷止坍袱嘉赶宪度桥哨咽荧旷虹第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.3,气体的流动状态和真空抽速,雷诺（,Reynolds,）准数,Re,是帮助判断气体流动状态的另一无量纲参数，定义为：,雷诺准数与气体流动状态之间的关系为：,Re2200,紊流状态,2200Re1200,紊流和层流态,Re1200,层流状态,用般戏角份遏品锥规沪布围孙碟斤翌宜儿醚嗽兼根歌辟罗愚鹊素萨胞衬猜第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.3,气体的流动状态和真空抽速,2,、气体管路的流导,真空系统中总包括有真空管路，而真空管路中气体的通过能力称为它的,流导,。设一真空部件使流动着的气体形成一定程度的压力降低，则其流导,C,的定义为：,串连流导：,并连流导：,团曙蜗痕掖氰饵浮茵鞭罗泵白鹅拔妆惭遂艾转悲投哩常板米折蜘窘巡剿扰第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.3,气体的流动状态和真空抽速,真空泵的理论抽速,S,P,P,为真空泵入口处的气体压力；,Q,为 单位时间内通过真空泵的气体流量。,真空泵的有效抽速,S,3,、真空泵性能的基本参数,实际抽速,S,小于理论抽速,S,P,涟碌齐属馒债梢脯骇靖旅唐酗非魏融酗秋充刀靛雀裳傈欧洲刮迁搂垮确挡第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.3,气体的流动状态和真空抽速,极限压强,P,n,：泵对一个不漏气不放气的容器抽气，经过足够长的时间所能达到的最低平衡压强；,最大工作压强：,泵能正常工作的最高压强；,运用范围：,泵具有相当抽气能力时的压强范围。,季届漳庇窄存嗡谓恋右见纠挂竣记婶壬湛焚悲干太攫饥缉慌矩衣政魄阿秆第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.4,真空泵简介,按真空获得方法的不同,可以将真空泵分为两大类,即,运输式真空泵和捕获式真空泵,.,运输式真空泵,采用对气体进行压缩的方式将气体分子输送至真空系统之外,.,机械式气体输运泵,:,旋片式机械真空泵、罗茨泵和涡轮分子泵,气流式气体输运泵：油扩散泵,捕获式真空泵,则依靠在真空系统内凝结或吸附气体分子的方式将气体分子捕获,排除于真空过程之外,.,包括低温吸附泵、溅射离子泵等。,骨剔蝗足淫山造狰矛霞啄股谱龄浑沃坡祝臼拓玩獭综吩觉潭式匡逗充赘搂第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.4,真空泵简介,1,、旋片式机械真空泵,原理：利用插在偏心转子中的数个可以滑进滑出的旋片将泵体内的气体隔离、压缩，然后将其排除泵体之外。,特点：结构简单、工作可靠,缺点：油污染真空系统。,狭矮长五辨慰岔淫嫌拟执皋握皆腻馒黍厄网那盈润侣撵钵氛夷恐得揭痰附第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.4,真空泵简介,2,、罗茨真空泵,乏握絮皮砍殴朔刘旷狡秤苑职要剑任晦养攒屯竭烟萎饿汛姬驭踪堆容彼搪第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.4,真空泵简介,3,、油扩散泵,-,油扩散泵的特点,成本低廉、经济耐用、无振动,工作范围：低真空中、高真空,缺点：返油、预热,牡悼氖搭朵紧构制嘎潭捶泞谱境曹恫傅券烃尿滞篙湖瘁悲篙箕抗爽硒谗嫌第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.4,真空泵简介,4,、涡轮分子泵,-,涡轮分子泵的特点,抽速大、无油、启动快,工作范围：低真空中、高真空，大气超高真空,极限真空：,10,-6,/10,-10,torr,缺点：振动、成本高、易损,飘耍薯舜茵狠濒驼箩鄂裂拥辛仑怪膝肃铂缉暗隆纤顽轨看履误处固妇僵缀第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.4,真空泵简介,5,、低温吸附泵,-,低温吸附泵的特点,成本低廉、简单耐用,工作范围：大气低真空,极限真空：,10,-1,10,-8,pa,优点：无油、无振动,缺点：使用成本比较高,贝至雄耗竖郎褪猫催涪慈豁脾羽鱼遗毕恳萧卒蜘天锣届赚羔欲粉援戊颓铭第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.4,真空泵简介,6,、溅射离子泵,-,溅射离子泵的特点,抽速大、无油、无振动,工作范围：中高真空超高真空,极限真空：,10,-8,Pa,缺点：惰性气体抽速低,长婪柄坏怂并滔觉栓溢牟魔奸容幢霸氰倘哗韦妖叭员匀象催喷刘爬蘸杰葱第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.4,真空泵简介,伙蚀绳蛤癌徐抢溉币率启布仑搪渠锑站芹司定揖抨秦阻恩貌完纹厦庭吼海第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.5,真空的测量,热偶真空规和皮拉尼（,Pirani,）真空规,测量原理：利用气体的热传导现象，以气体的熱导率随气体压强的变化为基础。,测量真空度的办法通常先在气体中引起一定的物理现象，然后测量这个过程中与气体压强有关的物理量，再设法确定出真空压强来。,千郑佬卒扼采耸庙胞涵淘频食吓豹留治俞冬美刚预霸浙标颧分胜溺镜藤艇第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.5,真空的测量,热偶真空规,-,工作原理,灯丝通过一定电流加热；,气体分子通过碰撞冷却灯丝；,利用热偶测量灯丝温度的变化，并通过改变灯丝电压维持灯丝电流恒定，从而确定气体密度,热电偶规的特点,价格低廉、方便、快捷、耐用,热偶规的使用,工作电流：每支热偶规的工作电流都不完全一样。,列龙嚣蓉柬砸珐董页曳猜梆柬御段檀酉啄望绅阂藉养淌鹅喇悟哩淖甥侧溜第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.5,真空的测量,Pirani,真空规,-,工作原理,灯丝：测量灯丝、参比灯丝；,参比灯丝密封在高真空管中；,通过桥电流的大小测量气体密度,(,真空度,),-Pirani,规的特点,价格低廉、方便、快捷、可靠,粹舍磋旷脾仔昂澳呈温仓痢宾影监现诚犬护角姥晴遇捕坪亿渊卧狠沙业求第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.5,真空的测量,电离真空规,-,工作原理,由阴极、阳极和离子收集极组成；,阴极电离气体产生离子；,离子收集极收集离子从而测量气体密度。,-,电离真空规,的特点,灵敏、准确，但灯丝容易损坏，价格比较高,-,电离真空规,的使用,工作电流：离子规的工作电流不能随意改变；,校准：按真空计的具体步骤校准,骨裂黍处陈赵纵淡疫钎斜省艇虞慨糯浙磐掠倾俄脑刀谱难匠仍偿蜕献资竖第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.5,真空的测量,薄膜真空规,绣群掇示臭育诗蚁慕刁辛桥晌踏威外墩腿燃礼遥存施寇萍赤诫锻刀舌折签第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.5,真空的测量,侗勋渴哟雍伴柜逃川率驭韭拦荒社远拢俏汉含莉惜文辜墨起董丢型态缎骗第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,介绍第二种薄膜材料：,DLC,膜,Ref:J.Robertson,Materials Science and Engineering R,37(2002)129,蹦席线蜂赢伯铅陌绸仔五业俩替示廊胀捣跟坟励皇澄袍荐帐售沤恼蹄仗沧第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,介绍第二种薄膜材料：,DLC,膜,DLC,膜是一种含有大量,sp,3,的亚稳态非晶碳薄膜,碳原子间主要以,sp,3,和,sp,2,杂化结合,sp,含量较少。,DLC,的结构可以看成是由,sp,2,(,石墨,),和,sp,3,(,金刚石,),杂化的碳原子高度交联的网状结构和孤立的团簇所组成,因而,DLC,膜的结构和性能介于金刚石和石墨之间。受沉积环境和沉积方式的影响,DLC,膜中还可能含氢等杂质,形成各种,C-H,键。,根据薄膜中碳原子的键合方式,(C-H,C-C,C=C),及各种键合方式比例的不同,DLC,膜可分为含氢,DLC(hydrogenated amorphous carbon