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真空的获得和镀膜专题实验16页
专题
实验
(二):
真空的获得和镀膜实验
“教书先生”恐怕是市井百姓最为熟悉的一种称呼,从最初的门馆、私塾到晚清的学堂,“教书先生”那一行当怎么说也算是让国人景仰甚或敬畏的一种社会职业。
只是更早的“先生”概念并非源于教书,最初出现的“先生”一词也并非有传授知识那般的含义。
《孟子》中的“先生何为出此言也?
”;《论语》中的“有酒食,先生馔”;《国策》中的“先生坐,何至于此?
”等等,均指“先生”为父兄或有学问、有德行的长辈。
其实《国策》中本身就有“先生长者,有德之称”的说法。
可见“先生”之原意非真正的“教师”之意,倒是与当今“先生”的称呼更接近。
看来,“先生”之本源含义在于礼貌和尊称,并非具学问者的专称。
称“老师”为“先生”的记载,首见于《礼记?
曲礼》,有“从于先生,不越礼而与人言”,其中之“先生”意为“年长、资深之传授知识者”,与教师、老师之意基本一致。
真空镀膜,是指在真空中把蒸发源加热蒸发或用加速离子轰击溅射,沉积到基片固体表面形成单层或多层薄膜,使得固体表面具有耐磨损、耐高温、耐腐蚀、抗氧化、防辐射、导电、导磁、绝缘和装饰等许多优于固体材料本身的优越性能。
单靠“死”记还不行,还得“活”用,姑且称之为“先死后活”吧。
让学生把一周看到或听到的新鲜事记下来,摒弃那些假话套话空话,写出自己的真情实感,篇幅可长可短,并要求运用积累的成语、名言警句等,定期检查点评,选择优秀篇目在班里朗读或展出。
这样,即巩固了所学的材料,又锻炼了学生的写作能力,同时还培养了学生的观察能力、思维能力等等,达到“一石多鸟”的效果。
真空镀膜的历史最早可追溯到19世纪,1842年英国的Grove和德国的Plücker相继在气体放电实验的辉光放电壁上观察到了溅射的金属薄膜,这就是真空镀膜的萌芽。
但是,真正应用于研究的溅射设备直到1877年才初露端倪。
迄后70年中,由于实验条件的限制,对溅射机理的认识长期处于模糊不请状态。
所以,在1950年之前有关溅射薄膜特性的技术资料,多数是不可靠的。
20世纪中期,只是在化学活性极强的材料、贵金属材料、介质材料和难熔金属材料的薄膜制备工艺中采用溅射技术。
1970年后出现了磁控溅射技术,1975年前后商品化的磁控溅射设备供应于世,大大地扩展了溅射技术应用的领域。
到了80年代,真空镀膜技术方从实验室应用技术真正地步入实用化大量生产的应用领域。
我国古代的读书人,从上学之日起,就日诵不辍,一般在几年内就能识记几千个汉字,熟记几百篇文章,写出的诗文也是字斟句酌,琅琅上口,成为满腹经纶的文人。
为什么在现代化教学的今天,我们念了十几年书的高中毕业生甚至大学生,竟提起作文就头疼,写不出像样的文章呢?
吕叔湘先生早在1978年就尖锐地提出:
“中小学语文教学效果差,中学语文毕业生语文水平低,……十几年上课总时数是9160课时,语文是2749课时,恰好是30%,十年的时间,二千七百多课时,用来学本国语文,却是大多数不过关,岂非咄咄怪事!
”寻根究底,其主要原因就是腹中无物。
特别是写议论文,初中水平以上的学生都知道议论文的“三要素”是论点、论据、论证,也通晓议论文的基本结构:
提出问题――分析问题――解决问题,但真正动起笔来就犯难了。
知道“是这样”,就是讲不出“为什么”。
根本原因还是无“米”下“锅”。
于是便翻开作文集锦之类的书大段抄起来,抄人家的名言警句,抄人家的事例,不参考作文书就很难写出像样的文章。
所以,词汇贫乏、内容空洞、千篇一律便成了中学生作文的通病。
要解决这个问题,不能单在布局谋篇等写作技方面下功夫,必须认识到“死记硬背”的重要性,让学生积累足够的“米”。
目前,镀膜技术已在现代科学技术和工业生产中有着广泛的应用。
例如,光学系统中使用的各种反射膜、增透膜、滤光片、分束镜、偏振镜等;电子器件中使用的薄膜电阻,特别是平面型晶体管和超大规模集成电路也有赖于薄膜技术来制造;在塑料、陶瓷、石膏和玻璃等非金属材料表面镀以金属膜具有良好的美化装饰效果,有些合金膜还起着保护层的作用;磁性薄膜具有记忆功能,在电子计算机中用作存储记录介质而占有重要地位。
【实验目的】
1.了解真空技术的基本知识;
2.掌握低、高真空的获得和测量的基本原理及方法;
3.了解真空镀膜的基本知识;
4.学习掌握蒸发镀膜的基本原理和方法;
5.学习掌握利用椭圆偏振仪测量薄膜厚度。
【实验原理】
一、真空度与气体压强
压强低于一个标准大气压的稀薄气体空间称为真空。
在真空状态下,由于气体稀薄,分子之间或分子与其它质点之间的碰撞次数减少,分子在一定时间内碰撞于固体表面上的次数亦相对减少,这导致其有一系列新的物化特性,诸如热传导与对流小,氧化作用少,气体污染小,汽化点低,高真空的绝缘性能好等诸多优点。
真空技术是基本实验技术之一,真空技术在近代尖端科学领域,如表面科学、薄膜技术、空间科学、高能粒子加速器、微电子学、材料科学等工作中都占有关键的地位,在工业生产中也有着广泛的应用。
真空度是对气体稀薄程度的一种客观度量,单位体积中的气体分子数越少,表明真空度越高。
由于气体分子密度不易度量,通常真空度用气体压强来表示,压强越低真空度越高。
按照国际单位制(SI),压强单位是牛顿/米2,称为帕斯卡,简称帕(Pa)。
真空量度具备以下常用单位换算关系:
1标准大气压=760mmHg=760Torr
1标准大气压=1.013x105Pa
1Torr=133.3Pa
按照气体空间的物理特性及真空技术应用特点,我们通常将真空划分为以下几个区域(见表1):
表1真空区域的划分及其特点和应用
真空区域
粗真空
低真空
高真空
超高真空
极高真空
范围(Pa)
105~103
103~10-1
10-1~10-6
10-6~10-12
<10-12
分子密度(cm-3)
1019~1017
1017~1013
1013~108
108~102
<102
平均自由层(cm)
10-5~10-3
10-3~10
10~107
107~1012
<1012
距地高度(Km)
14~30
30~90
90~440
440~20000
>20000
抽气系统
机械泵
吸附泵
机械泵
吸附泵
扩散泵
分子泵
分子泵
离子泵
低温泵
测量仪器
U型管压差计
电阻真空计
热偶真空计
电离规
潘宁规
超高真空电离计
应用举例
真空形成、真空浓缩、真空运输。
真空蒸馏、干燥、冷冻,真空焊接。
真空镀膜、真空冶金、粒子加速器。
表面物理、热核反应、超导技术。
二、真空的获得
用来获得真空的设备称为真空泵,真空泵按其工作机理可分为排气型和吸气型两大类。
排气型真空泵是利用内部的各种压缩机构,将被抽容器中的气体压缩到排气口,而将气体排出泵体之外,如机械泵、扩散泵和分子泵等。
吸气型真空泵则是在封闭的真空系统中,利用各种表面(吸气剂)吸气的办法将被抽空间的气体分子长期吸着在吸气剂表面上,使被抽容器保持真空,如吸附泵、离子泵和低温泵等。
真空泵的主要性能可由下列指标衡量:
(1)、极限真空度:
无负载(无被抽容器)时泵入口处可达到的最低压强(最高真空度)。
(2)、抽气速率:
在一定的温度与压力下,单位时间内泵从被抽容器抽出气体的体积,单位(升/秒)。
(3)、启动压强:
泵能够开始正常工作的最高压强。
1.机械泵
机械泵是运用机械方法不断地改变泵内吸气空腔的容积,使被抽容器内气体的体积不断膨胀压缩从而获得真空的泵,机械泵的种类很多,目前常用的是旋片式机械泵。
图1是旋片式机械泵的结构示意图,它是由一个定子和一个偏心转子构成。
定子为一圆柱形空腔,空腔上装着进气管和出气阀门,转子顶端保持与空腔壁相接触,转子上开有槽,槽内安放了由弹簧连接的两个刮板。
当转子旋转时,两刮板的顶端始终沿着空腔的内壁滑动。
整个空腔放置在油箱内。
工作时,转子带着旋片不断旋转,就有气体不断排出,完成抽气作用。
旋片旋转时的几个典型位置如图2所示。
当刮板A通过进气口(图2(a)所示的位置)时开始吸气,随着刮板A的运动,吸气空间不断增大,到图2(b)所示位置时达到最大。
刮板继续运动,当刮板A运动到图2(c)所示位置时,开始压缩气体,压缩到压强大于一个大气压时,排气阀门自动打开,气体被排到大气中,如图2(d)所示。
之后就进入下一个循环,整个泵体必须浸没在机械泵油中才能工作,泵油起着密封润滑和冷却的作用。
机械泵可在大气压下启动正常工作,其极限真空度可达10-1Pa,它取决于:
①定子空间中两空腔间的密封性,因为其中一空间为大气压,另一空间为极限压强,密封不好将直接影响极限压强;②排气口附近有一“死角”空间,在旋片移动时它不可能趋于无限小,因此不能有足够的压力去顶开排气阀门;③泵腔内密封油有一定的蒸汽压(室温时约为10-1Pa)。
旋片式机械泵使用时必须注意以下几点:
(1)、启动前先检查油槽中的油液面是否达到规定的要求,机械泵转子转动方向与泵的规定方向是否符合(否则会把泵油压入真空系统)。
(2)、机械泵停止工作时要立即让进气口与大气相通,以清除泵内外的压差,防止大气通过缝隙把泵内的油缓缓地从进气口倒压进被抽容器(“回油”现象)。
这一操作一般都由与机械泵进气口上的电磁阀来完成,当泵停止工作时,电磁阀自动使泵的抽气口与真空系统隔绝,并使泵的抽气口接通大气。
(3)、泵不宜长时间抽大气,否则因长时间大负荷工作会使泵体和电动机受损。
2.扩散泵
扩散泵是利用气体扩散现象来抽气的,最早用来获得高真空的泵就是扩散泵,目前依然广泛使用。
油扩散泵的工作原理不同于机械泵,其中没有转动和压缩部件。
它的工作原理是通过电炉加热处于泵体下部的专用油,沸腾的油蒸汽沿着伞形喷口高速向上喷射,遇到顶部阻碍后沿着外周向下喷射,此过程中与气体分子发生碰撞,使得气体分子向泵体下部运动进入前级真空泵。
扩散泵泵体通过冷却水降温,运动到下部的油蒸汽与冷的泵壁接触,又凝结为液体,循环蒸发。
为了提高抽气效率,扩散泵通常由多级喷油口组成(3、4个),图3是一个具有三级喷嘴的扩散泵结构示意图,这样的泵也称为多级扩散泵。
扩散泵具有极高的抽气速率,高速定向喷射图3.油扩散泵结构示意图
的油分子在喷嘴出口处的蒸汽流中形成一低压,将扩散进入蒸汽流的气体分子带至泵口被前级泵抽走,而油蒸汽在到达泵壁后被冷却水套冷却后凝聚,返回泵底再被利用。
由于射流具有工作过程高流速(200米/秒)、高密度、高分子量(300—500),故能有效地带走气体分子。
扩散泵不能单独使用,一般采用机械泵为前级泵,首先要利用机械泵将真空室的压强抽到小于1Pa后,方才启动扩散泵,因为在这一压强下,可以保证绝大部分气体分子以定向扩散形式进入高速蒸汽流。
此外若扩散泵在较高空气压强下加热,会导致具有大分子结构的扩散泵油分子的氧化或裂解,从而影响扩散泵的使用寿命。
油扩散泵的极限真空度主要取决于油蒸气压和反扩散两部分,目前一般能达到10-5~10-7Pa。
三、真空的测量
测量真空度的装置称为真空计。
真空计的种类很多,根据气体产生的压强、气体的粘滞性、动量转换率、热导率、电离等原理可制成各种真空计。
由于被测量的真空度范围很广,一般采用不同类型的真空计分别进行相应范围内真空度的测量。
常用的有热耦真空计和电离真空计。
热耦真空计也叫热耦规,通常用来测量低真空,可测范围为10~10-1Pa,它是利用低压下气体的热传导与压强成正比的特点制成的。
电离真空计也叫电离规,是根据电子与气体分子碰撞产生电离电流随压强变化的原理制成的,测量范围为10-1~10-6Pa。
使用时特别注意,当压强高于10-1Pa或系统突然漏气时,电离真空计中的灯丝会因高温很快被氧化烧毁,因此必须在真空度达到10-1Pa以上时,才能开始使用电离真空计。
为了使用方便,常把热偶真空计和电离真空计组合成复合真空计。
四、蒸发镀膜
蒸发镀膜就是在真空中通过电流加
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