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        光學薄膜制備相關技術(shù) ——真空技術(shù)

        日期:2025-06-22 17:33
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        摘要: 真空是制備光學薄膜的基礎,當前,大部分薄膜的制備都是在真空條件下進行的。本文簡要介紹與光學薄膜制備相關的基本真空知識。 1 真空的發(fā)現(xiàn) 在1641年,意大利數(shù)學家托里拆利(Torricelli)在一端封閉的長玻璃管內(nèi)加滿水銀,然后緩慢的將管口倒置在一個盛滿水銀的容器內(nèi),管內(nèi)水銀柱的*大高度是76厘米,這時玻璃管*上方無水銀區(qū)域便是真空狀態(tài)。如果用水來代替水銀,則水柱的*大高度是10.3米。 2 真空的定義和單位 真空是在給定的空...

            真空是制備光學薄膜的基礎,當前,大部分薄膜的制備都是在真空條件下進行的。本文簡要介紹與光學薄膜制備相關的基本真空知識。


        1 真空的發(fā)現(xiàn)


              在1641年,意大利數(shù)學家托里拆利(Torricelli)在一端封閉的長玻璃管內(nèi)加滿水銀,然后緩慢的將管口倒置在一個盛滿水銀的容器內(nèi),管內(nèi)水銀柱的*大高度是76厘米,這時玻璃管*上方無水銀區(qū)域便是真空狀態(tài)。如果用水來代替水銀,則水柱的*大高度是10.3米。


        2 真空的定義和單位


              真空是在給定的空間內(nèi)低于一個大氣壓力的氣體狀態(tài)。一般用真空度來表征真空,而真空度的高低用壓強(作用在單位面積上的力)來衡量。壓強所采用的法定計量單位是帕斯卡(Pascal),系米公斤秒制單位,是目前國際上推薦使用的國際單位制(SI),簡稱帕(Pa)。目前在實際工程技術(shù)中有幾種舊單位還在延用,幾種舊單位與帕斯卡之間的轉(zhuǎn)換關系如下:

        (1)  標準大氣壓(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 真空在薄膜鍍制中的作用


             氣體分子無時無刻都在做無規(guī)則的熱運動,分子與分子之間,以及分子與容器壁之間都不斷的發(fā)生著碰撞。常溫常壓條件下,氣體的分子密度約為3х1019個/cm3,每個空氣分子每秒中內(nèi)要經(jīng)歷1010次碰撞。氣體的分子運動軌跡就不是一條直線,而是一條不斷碰撞的同時不斷改變方向的折線。如果在這樣的環(huán)境下鍍膜,蒸發(fā)粒子將會與其它分子頻繁發(fā)生碰撞,不斷改變方向,也會增加與其它分子發(fā)生反應的幾率,蒸發(fā)速率和膜厚也就無法控制。要想避免這些不利因素,就需要我們在真空的條件下來進行。

              真空區(qū)域的劃分。為了便于討論和實際應用,常把真空劃分為:粗真空(>103Pa)、低真空(103~10-1Pa)、高真空(10-1~10-6Pa)、超高真空(<10-6Pa)四個區(qū)域。粗真空的氣態(tài)空間近似大氣狀態(tài),分子以熱運動為主,其氣流特性以氣體分子之間的碰撞為主;低真空氣體分子的流動逐漸從粘滯流狀態(tài)向分子流狀態(tài)過渡為主,此時分子之間和分子與容器壁之間的碰撞次數(shù)差不多;高真空的氣體流動為分子流,以氣體分子與器壁碰撞為主,碰撞次數(shù)大大減少,在高真空下蒸發(fā)的材料,粒子將沿直線飛行。

              真空度是氣體分子熱運動的宏觀表現(xiàn),另有微觀參量“自由程”:氣體分子之間相鄰兩次碰撞的距離,其統(tǒng)計平均值稱為“平均自由程”。設N0個蒸發(fā)粒子行進距離d后,未受殘余氣體粒子碰撞的數(shù)目為:Nd= N0e-d/l(1);被碰撞的分子百分數(shù):f=1- Nd/ N0=1- e-d/l(2)根據(jù)(2)式計算可知,當平均自由程等于蒸發(fā)源到基底的距離時,有63%的蒸發(fā)粒子發(fā)生碰撞;如果平均自由程增加10倍,則碰撞的粒子數(shù)減小到9%。可見,只有在平均自由程比蒸發(fā)源到基底的距離大得多的情況下,才能有效地減少碰撞現(xiàn)象的發(fā)生。假如平均自由程足夠大,且滿足條件l>>d,則有:f≈d/l(3)又因為l≈0.667/P(P為壓強)(4)將(4)式代入(3)式可得:f≈1.5dP(5)為保證膜層質(zhì)量,設f≤10-1。當蒸發(fā)源到基底的距離d=30cm時,則P≤2.2×10-3Pa。由(5)式可知鍍膜機的真空室越大,及蒸發(fā)源到基底的距離越長,則需要的真空度就越高。

              真空在薄膜制備中的作用有兩個:一是減少蒸發(fā)粒子與其它氣體粒子之間的碰撞,二是抑制蒸發(fā)分子與其它氣體分子發(fā)生反應。



        文章來源:真空技術(shù)與設備網(wǎng)

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