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* 第一章 真空技术基础 (薄膜与真空) 1.1 真空的基本知识 1.2 稀薄气体的基本性质 1.3 真空的获得 1.4 真空的测量 1.1 真空的基本知识 真空：低于一个大气压的气体空间。 自然真空：宇宙空间所自然存在的 人为真空：人类利用真空泵抽取所获得的 绝对真空：完全没有气体的空间状态 相对真空：气体稀薄，分子数较少的状态 气体分子数密度 大气压下 P = 105 Pa， 高真空下 P = 10-11 Pa， 1 1.013 ×103 760 1.013 × 105 1atm 9.87× 10-4 1 0.75 100 1mba 1.316 ×10-3 1.333 1 133.3 1Torr 9.87× 10-6 1× 10-2 7.5×10-3 1 1Pa 标准大气压 毫巴/mbar 托/Torr 帕/Pa 单位 真空（压强）单位 真空度和压强 压强越低，真空度越高；压强越高，真空度越低。 国际单位：帕斯卡（Pascal） Pa 常用单位：托（Torr） 毫米汞柱（mmHg） 巴（bar） 标准大气压（atm） 1.1 真空的基本知识 粗真空: 1x105 － 1x102 Pa （粘滞流） 真空干燥、真空浸渍 低真空: 1x102 － 1x10-1 Pa （过渡状态） 热处理、低压化学气相沉积 高真空: 1x10-1 － 1x10-6 Pa （分子流） 溅射镀膜，真空蒸发镀膜 超高真空 : 1x10-6 Pa 表面物理，表面分析，MBE ? 真空的划分 1.1 真空的基本知识 ? 稀薄气体的状态方程 在真空技术中所接触的是稀薄气体，这种稀薄气体在性质上与理想气体的差异很小。因此，在研究稀薄气体的性质时，可不加修正地直接应用理想气体的状态方程。 1.2 稀薄气体的基本性质 理想气体状态方程： 普适气体常量: R = 8.31J/mol K 玻耳兹曼常量: k = 1.38×10-23 J/K ? 气体分子的速率分布 气体分子运动论认为： 气体的大量分子每时每刻都处于无规则的热运动之中，气体分子之间以及气体分子与容器壁之间，发生着不断的碰撞过程，这种碰撞过程的结果之一是使气体分子的速度服从一定的统计分布。气体分子的运动速率υ服从麦克斯韦尔-玻耳兹曼（Maxwell-Boltzmann）分布。 1.2 稀薄气体的基本性质 ? 三种统计速率 1.2 稀薄气体的基本性质 1）最概然速率 2）平均速率 速率与声速（340m/s）相比拟 3）方均根速率 1.2 稀薄气体的基本性质 ? 平均自由程 气体分子在连续两次碰撞之间的平均路程称分子的平均自由程。 大气压下 P = 105 Pa， 高真空下 P = 10-8 Pa， 估算：常温下（300 K），空气分子直径取0.4 nm d 为气体分子的直径 1.2 稀薄气体的基本性质 ? 气体的入射频率（入射通量） 入射频率是真空及镀膜技术中常用到的一个物理量，是气体分子对于容器壁单位面积的碰撞频率，即单位时间内单位表面积受到气体分子碰撞的次数。用字母 J 来表示。 赫兹-克努曾（Hertz-Knudsen）公式 阿伏加得罗常数: NA = 6.02×1023 /mol 1.2 稀薄气体的基本性质 例：作为赫兹-克努曾公式的一个应用，我们来计算一下在高真空环境中，清洁表面被环境中的杂质气体分子污染所需要的时间。 求解： 假设每一个向清洁表面运动过来的气体分子都是杂质，并均被表面所俘获。则可以求出表面完全被一层杂质气体分子覆盖所需要的时间 式中，N 为基板表面单位面积上能容纳的单分子层内的气体分子数。 1.2 稀薄气体的基本性质 估算：单位面积上单分子层的气体分子数目N。气体分子的尺寸在0.4 nm 左右，则一个分子覆盖的面积约为0.16 nm2，则： 大气压下 P = 105 Pa， 高真空下 P = 10-8 Pa， 1.2 稀薄气体的基本性质 ? 余弦定律 碰撞于固体表面的分子它们飞离表面的方向与原入射方向无关，并按与表面法线方向所成角度的余弦进行分布。 一个分子离开固体表面时，处于立体角 中的几率为： θ为出射方向与法线所成的角度 余弦定律的重要意义： 它揭示了固体表面对气体分子作用的另一个方面，即分子原有的方向性彻底“消除”，均按余弦定律散射。 分子在固体表面上要停留一定的时间，这是气体分子能够与固体进行能量交换和动量交换的先决条件，这一点有重要意义。 1.2 稀薄气体的基本性质