薄膜材料与技术-3.ppt

薄膜材料与技术（3） 李美成 2008秋季学期 第三章 气体放电和低温等离子体 3.1 低温等离子体 3.2 低气压气体放电 3.3 气体的激发和电离 3.4 气体放电的基本特点 3.5 辉光放电的特性 3.6 弧光放电的特性 由于气相沉积是在低温等离子体中进行的 低温等离子体物理基础 低气压气体放电使气体和膜层原子电离 产生高能电子、高能离子和高能中性原子 改善薄膜的组织结构并促进化学反应过程 有利于化合物薄膜的形成 学习等离子体形成过程 + 气体放电特性对掌屋各种离子沉积技术和控制薄膜质量是非常必要的。 3.1 低温等离子体 低温等离子体物理概述 3.2 低气压气体放电 3.3 气体的激发和电离 金属中自由电子的运动产生电流； 导电液体，NaCl溶液离子传导电流； 气体中荷电粒子？ 原子壳层?电子?能级 自由电子 中性原子在碰撞中夺得一个自由电子变成一个带负电的质点，称为负离子。 一般气体不易形成负离子，卤素元素、氧、水等的分子或原子常易捕获多余的电子，形成负离子；负电性元素或负电性物质。 气体放电过程中，许多因素引起气体电离或激发，称为游离源。 3.4 气体放电的基本特点 导电机理 1．外界因素对气体的刺激 在自然界存在着各种辐射线，如紫外线，宇宙射线，放射性元素放射的?射线等等。 a．这些辐射线的光子和气体分子碰撞时，可使气体分子电离，形成电子和正离子， b．如和电极碰撞时，可引起电极的光电子发射。 c．用火焰加热气体（如真空系统被火焰烘烤去气），使气体分子热运动加剧，发生电离碰撞而产生电子和正离子。 d．通电使电极温度升高，将产生热电子发射等等。 由此产生的载流子称为被激载流子或原始载流子。 2．在气体放电中内部的互相作用 a．参与导电的电子和正离子通过气体时，和气体分子碰撞，使气体分子电离产生新的载流子。 b．在气体放电中激发碰撞产生的光子撞击气体分子形成光电离，产生电子和正离子。 c．撞击电极形成光电发射产生光电子等等。 由此产生的载流子称为自激载流子或次级载流子。 参与气体放电的载流子不仅有电子而且还有正离子，其密度随外界情况和粒子运动情况 的变化而不断变化。 气体放电有别于金属导电的基本特点之一。 导电能力 1．对于气体而言，不仅外界条件发生变化时电子浓度n会发生变化；且由于外加电压不同、场强发生变化、载流子远动状态变化时，由于产生次级电子的条件改变，其数值也要发生变化。 2．除此以外，由于气体压强变化，电子的平均自由程也要跟着发生变化。 所以气体的电导率是随外界条件、所加的电压、气体压强等变化而变化的变量。 其伏安特性曲线将是几何形状比较复杂曲线。 气体放电(导电)有别于金属导电的特点之二。 能量转换 1．在气体导电中，被电场所加速的不仅有电子而且还有离子。它们和气体分子的碰撞不仅可以是弹性碰撞，而且还可以是各种非弹性碰撞；如激发、电离、复合、附着等等；同时还可以和电极直接发生碰撞。 2．载流子从电场中获得的能量，不仅可转化成热运动的能量，而且还可转化为激发能，电离能，光能等等。 在分析气体放电时，不仅要分析电场的能量可转化成哪些类型的能量，并且要分析各种能量各自所占的百分数。 例如：就氖气的气体放电进行理论和实验的分析，发现电子从电场中获得的能量，主要可以转化成下列的四种形式的能量； （1）通过和气体分子的弹性碰撞转化成分子热运动的能量； （2）通过激发碰撞，转化成激发能； （3）通过电离碰撞，转化为电离能， （4）和电极碰撞，将能量转交给电极。 3．上述四种能量的分配形式，和各种碰撞的宏观有效截面有关，而宏观有效截面又和电子在碰撞时的速度有关； 而速度是由电子在两次连续的碰撞之间，即在一个自由程中所积累起来的能量决定的。 4．一般说来，电压高电场强度E大，电子在两次连续的碰撞之间所积累起来的能量就多。 平均自由程?大或者说压强P小，电子在两次连续碰撞之间所积累起来的能量也多。 所以各种形式能量的分配与E、?或E/P的值有关。 理论计算结果，在E/P的值不同的情况下，四种形式的能量所占的百分比可以看出： 1．在E/P之值较小时，因为电子的速度较小，所以电子的能量将几乎百分之百转化为分子做弹性碰撞时损耗的能量。 ２．当E/P比值增大电子速度增大时，电子的能量将有部分转化为激发能，随着E/P值增大，转化为激发能所占的百分比将逐渐增大。 ３．当E/P值达到3(伏/厘米帕)时，其百分比将达到90％。当E/P值再增大时， 因电子的能量有部分转化为电离能，同时交给电极的能量逐渐增大。四种形式的能量分配的比率，又将发生新的变