薄膜物理 (4)課件

薄膜物理

ThinFilmPhysics材料物理與化學(xué)系DepartmentofMaterialsPhysicsandChemistry電子郵件：tiezhu-主講教師辛鐵柱緒論薄膜的概念薄膜是薄的物體的總稱(chēng)現(xiàn)在所說(shuō)的薄膜是指固體材料，也就是說(shuō)是固體薄膜薄膜的厚度標(biāo)準(zhǔn)：說(shuō)法不太統(tǒng)一緒論薄膜技術(shù)已經(jīng)滲透到現(xiàn)代科技和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，如航空航天、醫(yī)藥、能源、交通、通信和信息等。另外，在器件的高速化、高集成化、小型化、輕量化方面，薄膜技術(shù)作出了重大的貢獻(xiàn)

薄膜基本制備技術(shù)

薄膜物理基礎(chǔ)薄膜制備設(shè)備往往涉及真空系統(tǒng)目前，人們所廣泛使用的很多表面分析設(shè)備都具有真空系統(tǒng)緒論薄膜的制備技術(shù)

氣相沉積法

溶液鍍膜法緒論溶液鍍膜法

電沉積法陽(yáng)極氧化法溶膠-凝膠法LB膜的制備緒論薄膜物理基礎(chǔ)薄膜的形成過(guò)程薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的性質(zhì)：電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)及半導(dǎo)體的性質(zhì)緒論緒論緒論電學(xué)薄膜薄膜材料按其功能及應(yīng)用的領(lǐng)域可分：光學(xué)薄膜硬質(zhì)膜、耐蝕膜、潤(rùn)滑膜有機(jī)分子薄膜裝飾膜緒論第一章緒論第二章真空技術(shù)基礎(chǔ)第三章薄膜的物理氣相沉積法9第四章薄膜的化學(xué)氣相沉積法3第五章溶液鍍膜法3第六章薄膜的形成與生長(zhǎng)1第七章薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷1第八章薄膜分析1第九章薄膜的性質(zhì)1本課程主要學(xué)習(xí)的內(nèi)容與章節(jié)安排：11薄膜物理與技術(shù)楊邦朝電子科技大學(xué)出版社2薄膜材料制備原理、技術(shù)及應(yīng)用唐偉忠冶金工業(yè)出版社3薄膜材料與薄膜技術(shù)鄭偉濤化學(xué)工業(yè)出版社4薄膜技術(shù)與薄膜材料田民波清華大學(xué)出版社5新型電子薄膜材料陳光華化學(xué)工業(yè)出版社緒論參考教材

物理氣相沉積法中的真空蒸發(fā)、濺射鍍膜和離子鍍等是基本的薄膜制備技術(shù)。它們均要求沉積薄膜的空間有一定的真空度。

真空技術(shù)基礎(chǔ)真空技術(shù)是薄膜制備的基礎(chǔ)

一、真空及其單位第一節(jié)真空的基本知識(shí)真空的概念？在給定的空間內(nèi)，氣體的壓強(qiáng)低于一個(gè)大氣壓的狀態(tài)，稱(chēng)為真空真空是什么物質(zhì)都不存在嗎？真空的基本知識(shí)P：壓強(qiáng)（Pa）n：氣體分子密度（個(gè)/m3）V：體積（m3）m：氣體質(zhì)量（kg）M：氣體分子量（kg/mol）T：絕對(duì)溫度（K）k：玻爾茲曼常數(shù)（1.3810-23J/K）R：氣體普適常數(shù)（8.314J/K?mol）真空的基本知識(shí)怎樣表示真空程度？真空度和壓強(qiáng)是兩個(gè)概念，不能混淆。壓強(qiáng)越低真空度越高，反之真空度越低壓強(qiáng)越高真空度壓強(qiáng)氣體分子密度：?jiǎn)挝惑w積中氣體分子數(shù)氣體分子的平均自由程形成一個(gè)分子層所需的時(shí)間等真空的基本知識(shí)壓強(qiáng)的表示方法：國(guó)際單位：帕斯卡(Pascal)其它單位：托(Torr)毫米汞柱(mmHg)毫巴(bar)大氣壓(atm)真空的基本知識(shí)１托(Torr)＝１毫米汞柱(mmHg)１大氣壓(atm)=760毫米汞柱(mmHg)=1.013×105帕斯卡(Pascal)單位帕/Pa托/Torr毫巴/mba標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1Pa17.5×10-3

1×10-2

9.87×10-6

1Torr133.311.3331.316×10-3

1mba1000.7519.87×10-4

1atm1.013×1057601.013×103

1幾種壓強(qiáng)單位的換算關(guān)系真空的基本知識(shí)中真空：氣體分子密度與大氣時(shí)有很大差別，氣體的帶電粒子在電場(chǎng)的作用下，會(huì)產(chǎn)生氣體導(dǎo)電現(xiàn)象。這時(shí)，氣體的流動(dòng)也狀態(tài)逐漸從粘稠滯流狀態(tài)過(guò)渡到分子狀態(tài)，氣體分子的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)明顯，氣體的對(duì)流現(xiàn)象完全消失

高真空：氣體分子密度更加降低，容器中分子數(shù)很少。因此氣體分子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相互間的碰撞很少，氣體分子的平均自由程已大于一般真空容器的限度。在高真空下蒸發(fā)的材料，粒子將按直線飛行。另外，容器空間的任何物體與殘余氣體分子的化學(xué)作用也十分微弱。這種狀態(tài)下，氣體的熱傳導(dǎo)和內(nèi)摩擦已變得與壓強(qiáng)無(wú)關(guān)超高真空：氣體分子間碰撞極少，氣體分子主要與器壁相碰撞緒論緒論真空的基本知識(shí)各種物質(zhì)的臨界溫度物質(zhì)臨界溫度(℃)物質(zhì)臨界溫度氮(N2)-267.8氬(Ar)-12.4氫(H2)-241.0氧(O2)-118.0氖(Ne)-228.0氪(Kr)-62.5空氣-140.0氙(Xe)14.7乙醚194.0二氧化碳(CO2)31.0氨(NH3)132.4鐵(Fe)3700.0酒精243.0甲烷(CH4)-82.5水(H2O)374.2氯(Cl2)144汞(Hg)1450.0一氧化碳(CO)-140.2可以看出，氮、氫、氬、氧和空氣等物質(zhì)的臨界溫度遠(yuǎn)低于室溫，所以常溫下它們是氣體；水蒸氣、有機(jī)物質(zhì)和氣態(tài)金屬的臨界溫度遠(yuǎn)高于室溫，所以常溫下它們是蒸氣

第二節(jié)

稀薄氣體的基本性質(zhì)Ideal-GasLaw玻義爾定律蓋?呂薩克定律查理定律玻義爾定律：一定質(zhì)量的氣體，在恒定溫度下，氣體的壓強(qiáng)與體積的乘積為常數(shù)。

PV=C或P1V1

=P2V2稀薄氣體的基本性質(zhì)蓋?呂薩克定律：一定質(zhì)量的氣體，在壓強(qiáng)一定時(shí)，氣體的體積與絕對(duì)溫度成正比。

V=CT或V1/T1=V2/T2查理定律：一定質(zhì)量的氣體，如果保持體積不變，則氣體的壓強(qiáng)與絕對(duì)溫度成正比。

P=CT或P1/T1=P2/T2

稀薄氣體的基本性質(zhì)一、氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度及其分布?xì)怏w分子運(yùn)動(dòng)論認(rèn)為：氣體的大量分子每時(shí)每刻都處于無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)之中，其平均速度取決于氣體所具有的溫度；同時(shí)，在氣體分子之間以及氣體分子與容器壁之間，發(fā)生著不斷的碰撞過(guò)程，這種碰撞過(guò)程的結(jié)果之一是使氣體分子的速度服從一定的統(tǒng)計(jì)分布。氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度υ服從麥克斯韋爾-玻耳茲曼(Maxwell-Boltzmann)分布：稀薄氣體的基本性質(zhì)M：氣體分子的相對(duì)原子質(zhì)量T：熱力學(xué)溫度R：氣體常數(shù)上式表明：氣體分子的速度分布只取決于分子的相對(duì)原子質(zhì)量M與氣體熱力學(xué)溫度T的比值。稀薄氣體的基本性質(zhì)氣體分子的速度具有很大的分布空間。溫度越高、氣體分子的相對(duì)原子質(zhì)量越小，分子的平均運(yùn)動(dòng)速度越大

稀薄氣體的基本性質(zhì)不同種類(lèi)氣體分子的平均運(yùn)動(dòng)速度也只與T/M的平方根成正比在常溫條件下，一般氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度是很高的。比如在T=300K時(shí)，空氣分子的平均運(yùn)動(dòng)速度υa≈460m/s氣體分子的平均運(yùn)動(dòng)速度稀薄氣體的基本性質(zhì)最可幾速度——用于討論速度分布平均速度

——用于計(jì)算分子運(yùn)動(dòng)的平均距離均方根速度——用于計(jì)算分子的平均動(dòng)能稀薄氣體的基本性質(zhì)二、氣體分子的平均自由程其統(tǒng)計(jì)平均值：

每個(gè)分子在連續(xù)兩次碰撞之間的路程稱(chēng)為自由程

稱(chēng)為平均自由程

平均自由程與分子密度n和分子直徑σ的平方成反比關(guān)系

平均自由程與壓強(qiáng)成反比，與溫度成正比

稀薄氣體的基本性質(zhì)若氣體種類(lèi)和溫度一定的情況下在25℃的空氣情況下或稀薄氣體的基本性質(zhì)三、碰撞次數(shù)與余弦定律入射頻率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，在單位面積的器壁上發(fā)生碰撞的分子數(shù)，用v表示n：氣體分子的密度va：氣體分子的平均速度

上述公式稱(chēng)為赫茲-克努森(Hertz-Knudsen)公式，它是描述氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的重要公式

稀薄氣體的基本性質(zhì)單位時(shí)間碰撞單位固體表面分子數(shù)的另一表達(dá)式例如，對(duì)于20℃的空氣，則有v20=2.86×1018P

(個(gè)／cm2·s)

式中P的單位為帕(Pa)

M40，T293KP10-3Pa則有v20=2.4×1015P(個(gè)／cm2·s)

式中P的單位為帕(Pa)

稀薄氣體的基本性質(zhì)碰撞于固體表面的分子，它們飛離表面的方向與原入射方向無(wú)關(guān)，并按與表面法線方向所成角度θ的余弦進(jìn)行分布。則一個(gè)分子在離開(kāi)其表面時(shí)，處于立體角dω(與表面法線成θ角)中的幾率是：氣體分子從表面的反射－余弦定律式中1/π是歸一化條件，即位于2π立體角中的幾率為1而出現(xiàn)的稀薄氣體的基本性質(zhì)余弦定律的重要意義在于：(1)它揭示了固體表面對(duì)氣體分子作用的另一個(gè)方面，即將分子原有的方向性徹底“消除”，均按余弦定律散射(2)分子在固體表面要停留一定的時(shí)間，這是氣體分子能夠與固體進(jìn)行能量交換和動(dòng)量交換的先決條件，這一點(diǎn)有重要的實(shí)際意義第三節(jié)真空的獲得真空系統(tǒng)應(yīng)包括：待抽空的容器(真空室)獲得真空的設(shè)備(真空泵)

測(cè)量真空的器具(真空計(jì))

必要的管道、閥門(mén)和其他附屬設(shè)備

判斷真空系統(tǒng)能否滿(mǎn)足鍍膜的兩個(gè)指標(biāo)：系統(tǒng)所能達(dá)到的最低壓強(qiáng)抽氣的速率

真空的獲得前級(jí)泵：能使壓力從一個(gè)大氣壓開(kāi)始變小，進(jìn)行排氣的泵常稱(chēng)為“前級(jí)泵”次級(jí)泵：只能從較低壓力抽到更低壓力的真空泵稱(chēng)為“次級(jí)泵”極限真空：任何一個(gè)真空系統(tǒng)，都不可能得到絕對(duì)真空，而是具有一定的壓強(qiáng)，稱(chēng)為極限壓強(qiáng)或極限真空抽氣速率：指在規(guī)定壓強(qiáng)下單位時(shí)間所抽出氣體的體積，它決定抽真空所需要的時(shí)間真空的獲得真空泵分為：輸運(yùn)式真空泵捕獲式真空泵

輸運(yùn)式真空泵采用對(duì)氣體的壓縮方式將氣體分子輸送至真空系統(tǒng)之外

捕獲式真空泵依靠在真空系統(tǒng)內(nèi)凝結(jié)或吸附氣體分子的方式將氣體捕獲，排出于真空系統(tǒng)之外

輸運(yùn)式真空泵：旋轉(zhuǎn)式機(jī)械真空泵、油擴(kuò)散泵、復(fù)合分子泵

捕獲式真空泵：分子篩吸附泵、鈦升華泵、濺射離子泵、低溫泵

真空的獲得至今還沒(méi)有一種泵能直接從大氣一直工作到超高真空常常需要把２～３種真空泵組合起來(lái)構(gòu)成復(fù)合排氣系統(tǒng)以達(dá)到所需要的高真空

旋片泵噪聲小，速度高，原理建立在玻-馬略特定律基礎(chǔ)上:P0V0=P1V1擴(kuò)散泵是利用被