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光学薄膜制备相关技术 ——真空技术

日期:2020-09-20 22:34
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摘要: 真空是制备光学薄膜的基础,当前,大部分薄膜的制备都是在真空条件下进行的。本文简要介绍与光学薄膜制备相关的基本真空知识。 1 真空的发现 在1641年,意大利数学家托里拆利(Torricelli)在一端封闭的长玻璃管内加满水银,然后缓慢的将管口倒置在一个盛满水银的容器内,管内水银柱的*大高度是76厘米,这时玻璃管*上方无水银区域便是真空状态。如果用水来代替水银,则水柱的*大高度是10.3米。 2 真空的定义和单位 真空是在给定的空...

    真空是制备光学薄膜的基础,当前,大部分薄膜的制备都是在真空条件下进行的。本文简要介绍与光学薄膜制备相关的基本真空知识。


1 真空的发现


      在1641年,意大利数学家托里拆利(Torricelli)在一端封闭的长玻璃管内加满水银,然后缓慢的将管口倒置在一个盛满水银的容器内,管内水银柱的*大高度是76厘米,这时玻璃管*上方无水银区域便是真空状态。如果用水来代替水银,则水柱的*大高度是10.3米。


2 真空的定义和单位


      真空是在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态。一般用真空度来表征真空,而真空度的高低用压强(作用在单位面积上的力)来衡量。压强所采用的法定计量单位是帕斯卡(Pascal),系米公斤秒制单位,是目前国际上推荐使用的国际单位制(SI),简称帕(Pa)。目前在实际工程技术中有几种旧单位还在延用,几种旧单位与帕斯卡之间的转换关系如下:

(1)  标准大气压(atm):
1atm=1.01325х105Pa=760 Torr。
(2)  托(Torr):
      1 Torr=1/760atm=133.3Pa。
(3)  巴(bar): 
      1 bar= 1 atm =1000 mbar
(4)  豪巴(mbar):

      1 mbar=7.5х10-1 Torr=100Pa。


3 真空在薄膜镀制中的作用


     气体分子无时无刻都在做无规则的热运动,分子与分子之间,以及分子与容器壁之间都不断的发生着碰撞。常温常压条件下,气体的分子密度约为3х1019个/cm3,每个空气分子每秒中内要经历1010次碰撞。气体的分子运动轨迹就不是一条直线,而是一条不断碰撞的同时不断改变方向的折线。如果在这样的环境下镀膜,蒸发粒子将会与其它分子频繁发生碰撞,不断改变方向,也会增加与其它分子发生反应的几率,蒸发速率和膜厚也就无法控制。要想避免这些不利因素,就需要我们在真空的条件下来进行。

      真空区域的划分。为了便于讨论和实际应用,常把真空划分为:粗真空(>103Pa)、低真空(103~10-1Pa)、高真空(10-1~10-6Pa)、超高真空(<10-6Pa)四个区域。粗真空的气态空间近似大气状态,分子以热运动为主,其气流特性以气体分子之间的碰撞为主;低真空气体分子的流动逐渐从粘滞流状态向分子流状态过渡为主,此时分子之间和分子与容器壁之间的碰撞次数差不多;高真空的气体流动为分子流,以气体分子与器壁碰撞为主,碰撞次数大大减少,在高真空下蒸发的材料,粒子将沿直线飞行。

      真空度是气体分子热运动的宏观表现,另有微观参量“自由程”:气体分子之间相邻两次碰撞的距离,其统计平均值称为“平均自由程”。设N0个蒸发粒子行进距离d后,未受残余气体粒子碰撞的数目为:Nd= N0e-d/l(1);被碰撞的分子百分数:f=1- Nd/ N0=1- e-d/l(2)根据(2)式计算可知,当平均自由程等于蒸发源到基底的距离时,有63%的蒸发粒子发生碰撞;如果平均自由程增加10倍,则碰撞的粒子数减小到9%。可见,只有在平均自由程比蒸发源到基底的距离大得多的情况下,才能有效地减少碰撞现象的发生。假如平均自由程足够大,且满足条件l>>d,则有:f≈d/l(3)又因为l≈0.667/P(P为压强)(4)将(4)式代入(3)式可得:f≈1.5dP(5)为保证膜层质量,设f≤10-1。当蒸发源到基底的距离d=30cm时,则P≤2.2×10-3Pa。由(5)式可知镀膜机的真空室越大,及蒸发源到基底的距离越长,则需要的真空度就越高。

      真空在薄膜制备中的作用有两个:一是减少蒸发粒子与其它气体粒子之间的碰撞,二是抑制蒸发分子与其它气体分子发生反应。



文章来源:真空技术与设备网

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