第一章薄膜制备的真空技术基础

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1、第一章第一章 薄膜制备的真空技术基础薄膜制备的真空技术基础n大部分的现代薄膜材料制备都是在真空或是较低大部分的现代薄膜材料制备都是在真空或是较低的气压下进行的，都涉及到气相的产生、输运以的气压下进行的，都涉及到气相的产生、输运以及反应的过程。及反应的过程。n因此，这一章中，我们先对有关气体的基本性质因此，这一章中，我们先对有关气体的基本性质进行简要的回顾，然后对最常用的真空技术的基进行简要的回顾，然后对最常用的真空技术的基础知识进行简单的介绍。础知识进行简单的介绍。第一章第一章 薄膜制备的真空技术基础薄膜制备的真空技术基础n1.1气体分子运动论气体分子运动论的基本概念的基本概念n1.2真空的基

2、本概念真空的基本概念n1.3 各类真空泵简介各类真空泵简介n1.4 真空测量技术真空测量技术n1.5 几种典型真空系统的建立几种典型真空系统的建立1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念1. 描述气体分子状态的宏观物理量描述气体分子状态的宏观物理量-P、T、V 气体分子之间除了相互碰撞的瞬间外，气体分子之间除了相互碰撞的瞬间外，完全不存在相互作用。完全不存在相互作用。n一般的温度和压力条件下，所有的气体都可以被看一般的温度和压力条件下，所有的气体都可以被看作是理想气体。作是理想气体。n真空技术中研究气体时，一般可以应用理想气体状真空技术中研究气体时，一般可以应用理想气体状态方程

3、。态方程。1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念1. 描述气体分子状态的宏观物理量描述气体分子状态的宏观物理量-P、T、V （1） 理想气体状态方程：理想气体状态方程： P：压强（：压强（Pa）；）；m：气体质量（：气体质量（Kg）；）；V：体积（：体积（m3）；）；R：普适气体常数：普适气体常数 =8.314J.mol-1K-1 ：T：绝对温度（：绝对温度（K）讨论：讨论： 对于一定质量的气体，当气体温度一定时，对于一定质量的气体，当气体温度一定时，PV = K（与温度有关的常数），（与温度有关的常数），此即波义耳此即波义耳-马略特定律（机械泵的理论基础）。马略特定律（机械

4、泵的理论基础）。molmPVRTM1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念1. 描述气体分子状态的宏观物理量描述气体分子状态的宏观物理量-P、T、V （2） 阿伏加德罗定律阿伏加德罗定律：（理想气体状态方程的第二种表达方式）：（理想气体状态方程的第二种表达方式） n为气体分子密度（为气体分子密度（1/m3）；波尔兹蔓常数）；波尔兹蔓常数k=R/NA=1.38 10-23JK-1；NA为阿伏加德罗常数，为阿伏加德罗常数，6.023 1023mol-1表明在相同压强和温度下，各种气体单位体积含分子数相同表明在相同压强和温度下，各种气体单位体积含分子数相同（与气体种类无（与气体种类无

5、关）关）。在标准状态下，任何气体的分子密度为在标准状态下，任何气体的分子密度为3 1019个个/m3pnkT1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念1. 描述气体分子状态的宏观物理量描述气体分子状态的宏观物理量-P、T、V （2） 阿伏加德罗定律阿伏加德罗定律：（理想气体状态方程的第二种表达方式）：（理想气体状态方程的第二种表达方式） 若气体由若气体由N个分子组成，每个分子的质量为个分子组成，每个分子的质量为M，则，则m=MN。而而1mol气体中的分子数气体中的分子数NA=6.023 1023，将，将Mmol=MNA代入理代入理想气体状态方程，则推出阿伏伽德罗定律。想气体状态方

6、程，则推出阿伏伽德罗定律。pnkT1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念 真空容器中气体分子运动是混乱的。气体分子进行无规真空容器中气体分子运动是混乱的。气体分子进行无规则热运动的每一时刻，每个分子的运动速率有偶然性，然而，则热运动的每一时刻，每个分子的运动速率有偶然性，然而，对于大量气体分子而言，其速率分布遵循统计规律。对于大量气体分子而言，其速率分布遵循统计规律。1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念f(v)速率分布函数（表明气体分子的速度分布只取决于分子的相对原子质量速率分布函数（表明气体分子的速度分布只取决于分子的相对原子质量M与热力学温与热力学温度

7、度T的比值），的比值），M-分子的摩尔质量，分子的摩尔质量，T为热力学温度，为热力学温度，R为普适气体常数。为普适气体常数。f(v)dv=dN/N为速率位于为速率位于v-(v+dv)区间的相对分子数或分子处于区间的相对分子数或分子处于v-(v+dv)间的几率。或者间的几率。或者f(v)dv表示在速率附近，表示在速率附近，dv速率间隔内的分子数占总分子数的比率。速率间隔内的分子数占总分子数的比率。dN = Nf(v)dv 设有设有N个气体分子的理想气体，在平衡状态速率处在个气体分子的理想气体，在平衡状态速率处在v-(v+dv)之间之间的分子数：的分子数：1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运

8、动论的基本概念f(v)速率分布函数，速率分布函数，M-分子的摩尔质量，分子的摩尔质量，T为热力学温度，为热力学温度，R为普适气体常数。为普适气体常数。物理意义物理意义：dN = Nf(v)dv 设有设有N个气体分子的理想气体，在平衡状态速率处在个气体分子的理想气体，在平衡状态速率处在v-(v+dv)之间之间的分子数：的分子数：1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念 为了更深入地理解速率分布函数所表达的意义，以下图为了更深入地理解速率分布函数所表达的意义，以下图H2和和N2分子为例，对其速率分布进行了定量描述。分子为例，对其速率分布进行了定量描述。1.1 气体分子运动论的基本概

9、念气体分子运动论的基本概念 图中表示，总分子数为图中表示，总分子数为107个、速率间隔个、速率间隔dv为为1cm/s时，时，在不同速率范围的分子数。例如，在不同速率范围的分子数。例如，0 的的N2分子，分子，v处于处于1000-1000.01m/s范围内的分子数大约为范围内的分子数大约为9个。个。 由曲线可知，气体分子的速度具有很大的分布区间，平由曲线可知，气体分子的速度具有很大的分布区间，平衡温度越低，曲线越陡，分子按速率分布越集中；温度越高，衡温度越低，曲线越陡，分子按速率分布越集中；温度越高，曲线平缓，分子按速率分布越分散。气体分子的相对原子质曲线平缓，分子按速率分布越分散。气体分子的相

10、对原子质量越小，则分子的平均运动速度越大。量越小，则分子的平均运动速度越大。1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念3 . 气体分子的平均自由程气体分子的平均自由程 处于无规则热运动中的气体分子，彼此处于无规则热运动中的气体分子，彼此间不断碰撞，单位时间内气体分子的碰撞次间不断碰撞，单位时间内气体分子的碰撞次数称为碰撞频率。特定种类的气体分子的碰数称为碰撞频率。特定种类的气体分子的碰撞频率与气体分子热运动的速率有关，与气撞频率与气体分子热运动的速率有关，与气体的密度有关。体的密度有关。1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念3 . 气体分子的平均自由程气体分子的

11、平均自由程q碰撞频率：单位时间内气体分子的碰撞次数。碰撞频率：单位时间内气体分子的碰撞次数。q自由程：分子任意两次碰撞之间通过的路程，自由程：分子任意两次碰撞之间通过的路程，。：大量分子多次碰撞自由程大量分子多次碰撞自由程的平均值，的平均值， 。 或：一个气体分子连续两次碰撞间飞行距离的平均或：一个气体分子连续两次碰撞间飞行距离的平均值称为平均自由程值称为平均自由程 1.1 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念3 . 气体分子的平均自由程气体分子的平均自由程一个气体分子在两次碰撞之间的平均距离：一个气体分子在两次碰撞之间的平均距离： n : 单位体积内的分子数；单位体积内的分子数；