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1、第1章薄膜制備的真空技術(shù)基礎(chǔ)1.真空的定義：真空泛指壓力低于一個大氣壓的任何氣態(tài)空間。1.1真空的基本知識2.真空度的單位“真空度”顧名思義就是真空的程度。是真空泵、微型真空泵、微型氣泵、微型抽氣泵、微型抽氣打氣泵等抽真空設(shè)備的一個主要參數(shù)。真空度實質(zhì)上與氣體壓力是同一物理概念。真空度越高，即氣體壓力越??；反之真空度越低，即氣體壓力越大。真空度的上限就是一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即760毫米汞柱。1.1真空的基本知識---大氣壓(atm):標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓力定義為1atm---帕(Pa):N/m2(常用單位：Pa)---巴(Bar):Dy/cm2,(常用單位：mBar)---乇
2、(Torr):1/760atm,(常用單位：Torr)處于平衡狀態(tài)的理想氣體分子，其熱運動速度服從麥克斯韋爾-玻爾茲曼速率分布：所有氣體分子熱運動速度的算術(shù)平均值叫算術(shù)平均速度；把所有氣體分子的速度的平方加起來，然后被分子總數(shù)除，再開方就得到均方根速度。它們的計算公式如下(平均速率是速率分布的數(shù)學(xué)期望值)：1.2氣體分子運動論的基本概念溫度越高、氣體分子的相對原子質(zhì)量越小，則分子的平均運動速度越大。1、氣體分子的平均運動速度Va（1）（2）一些惰性氣體在298.15K（25℃）的溫度下的速率分布函數(shù)。y軸的單位為s/m，因此任何一段曲線下的面積（它表示速度處于那個
3、范圍的概率）都是無量綱的。1.2氣體分子運動論的基本概念2、氣體的壓力和氣體分子的平均自由程1.2氣體分子運動論的基本概念理想氣體的壓力p與氣體分子的動能，或者說是與氣體的熱力學(xué)溫度成正比。分子平均自由程λ：氣體分子在兩次碰撞的間隔時間里走過的平均距離。式中d為氣體分子的有效截面直徑。氣體分子的平均自由程與氣體分子的密度n成反比。（3）（4）1.2氣體分子運動論的基本概念3、碰撞頻率Ф（氣體分子通量）：在單位時間,單位面積表面受到氣體分子碰撞的次數(shù)。（5）（6）在薄膜材料的制備過程中，薄膜的沉積主要是通過氣體分子對于襯底的碰撞過程來實現(xiàn)的。此時，薄膜的沉積速度正比
4、于氣體分子通量。將式（2）和（3）代入上式，可以求出氣體分子的通量：1.2氣體分子運動論的基本概念真空度的劃分：低真空：105～102Pa中真空：102～10-1Pa高真空：10-1～10-5Pa超高真空：<10-5Pa真空蒸發(fā)方法濺射沉積技術(shù)電子顯微分析材料表面分析技術(shù)低壓化學(xué)氣相沉積技術(shù)當(dāng)真空管道兩端存在有壓力差時，氣體就會自動地從高壓處向低壓處擴散，便形成了氣體流動。任何真空系統(tǒng)都是由氣源(待抽容器)、系統(tǒng)構(gòu)件(管道閥門等)及抽氣裝置(真空泵)組成的，氣體從氣源經(jīng)過系統(tǒng)的構(gòu)件向抽氣口源源不斷地流動，是動態(tài)真空系統(tǒng)的普遍特點。1.3氣體的流動狀態(tài)和真空抽速1.
5、3氣體的流動狀態(tài)和真空抽速1、氣體的流動狀態(tài)在高真空環(huán)境中，氣體分子除了與容器器壁發(fā)生碰撞以外，幾乎不發(fā)生氣體分子間的碰撞過程。這種氣體的流動狀態(tài)被稱為氣體的分子流狀態(tài)。分子流的特點是氣體分子的平均自由程大于氣體容器的尺寸或與其相當(dāng)。當(dāng)氣體壓力較高時，氣體分子的平均自由程較短，氣體分子間的相互碰撞較為頻繁，這種氣體的流動狀態(tài)稱為氣體的黏滯流狀態(tài)。1.3氣體的流動狀態(tài)和真空抽速上述兩種氣體流動狀態(tài)間的界線可以借助一個無量綱的參數(shù)－－克努森（Knudsen）準(zhǔn)數(shù)Kn來劃分，定義為：Kn<1分子流狀態(tài)Kn=1~110中間狀態(tài)Kn>110粘滯流狀態(tài)1.3氣體的流動狀態(tài)和真
6、空抽速黏滯流狀態(tài)的氣體流動模式復(fù)雜，在低流速的情況下，黏滯流狀態(tài)的氣流處于層流狀態(tài)；在流速較高時，氣體的流動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳡顟B(tài)。所謂層流狀態(tài)，相當(dāng)于氣體分子的宏觀運動方向與一組相互平行的流線相一致。在流速較高的情況下，氣體的流動不再能夠維持相互平行的層流模式，而會轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N漩渦式的流動模式。這時，氣流中不斷出現(xiàn)一些低氣壓的漩渦，這種氣體的流動狀態(tài)成為紊流狀態(tài)。如下圖所示。1.3氣體的流動狀態(tài)和真空抽速圖1.3黏滯態(tài)氣流的兩種流動狀態(tài)（a)－層流；（b)－紊流1.3氣體的流動狀態(tài)和真空抽速雷諾（Reynolds）準(zhǔn)數(shù)Re是幫助判斷氣體流動狀態(tài)的另一無量綱參數(shù)，定義為
7、：雷諾準(zhǔn)數(shù)與氣體流動狀態(tài)之間的關(guān)系為：Re>2200紊流狀態(tài)2200>Re>1200紊流和層流態(tài)Re<1200層流狀態(tài)真空技術(shù)中，氣體沿管道的流動狀態(tài)可劃分為如下幾種基本形式：從大氣壓力下開始抽真空的初期，管道中氣體壓力和流速較高，氣體的慣性力在流動中起主要作用，流動呈不穩(wěn)定狀態(tài)，流線無規(guī)則，并不時有旋渦出現(xiàn)，這種流動狀態(tài)稱為湍流(渦流，紊流)；隨著流速和氣壓的降低，在低真空區(qū)域內(nèi)，氣流由湍流變成規(guī)則的層流流動，各部分具有不同速度的流動層，流線平行于管軸，氣體的粘滯力在流動中起主導(dǎo)作用，此時氣體分子的平均自由程λ仍遠(yuǎn)小于導(dǎo)管最小截面尺寸d，這種流態(tài)叫做粘滯流；當(dāng)氣
8、體流動進入
