Gemeenschappelijke eenheden voorultrahoog vacuüm
1. Millibar (mbar) is een eenheid van luchtdruk, 1000 mbar=1 bar=1 * 105 Pa;
2. Torr komt uit de millimeter kwikkolom (mmHg) in het Torricelli-experiment, met 760 Torr=1 atm;
3. Pa komt uit het Internationale Stelsel van Eenheden (SI), waarbij 1 Pa gelijk is aan 1 N/m2;
Let op: Pa is de afgeleide eenheid in het Internationale Stelsel van Eenheden, niet de basiseenheid.
Let op: 1 bar is strikt gedefinieerd als 105 Pa, en 1 atm is strikt gedefinieerd als 101325 Pa. De twee worden over het algemeen als consistent beschouwd in praktisch gebruik, maar hebben verschillende definities.
Let op: In de praktijk worden Torr en mbar over het algemeen als gelijkwaardig beschouwd wanneer nauwkeurigheid niet vereist is, omdat de waarden ervan vergelijkbaar zijn.
Let op: Kilogram (kg/cm2) wordt in de techniek vaak gebruikt als eenheid van druk, met een waarde die dicht bij 105 Pa ligt.
Definitie van ultrahoog vacuüm
1. Ultrahoog vacuüm (UHV), over het algemeen gedefinieerd als 10-7-10-12 mbar;
2. High vacuum (HV), generally defined as>10-7 mbar;
3. Extreem hoog vacuüm (XHV), over het algemeen gedefinieerd als<10-12 mbar.
Kenmerken van ultrahoog vacuüm
Hoge reinheid is de fundamentele reden waarom oppervlakteanalyse ultrahoog vacuüm vereist. Oppervlaktefysica bestudeert vaak de fysieke verschijnselen van verschillende atomaire lagen op het oppervlak. Daarom kan de adsorptie van gasmoleculen op het monsteroppervlak, zelfs onder vacuümomstandigheden, de experimentele resultaten aanzienlijk beïnvloeden. We gebruiken vaak 'levensduur' om de tijd te beschrijven die het kost om een monsteroppervlak te reinigen en de experimentele resultaten te beïnvloeden door verontreiniging. Vanwege de verschillende adsorptiemogelijkheden van gasmoleculen, zijn er aanzienlijke verschillen in de levensduur van monsters tussen verschillende monsters. Zelfs voor hetzelfde monster zullen verschillende experimenten compleet verschillende definities van de levensduur van het monster hebben. Over het algemeen is de levensduur van oppervlaktetoestanden veel korter dan die van lichaamstoestanden.
In de oppervlaktewetenschap wordt L (Langmuir) gebruikt om de blootstelling van een monsteroppervlak te definiëren, waarbij 1 L=10-6 Torr * s. We kunnen zien dat de blootstelling van het monster omgekeerd evenredig is met de luchtdruk. Dus om de levensduur van het monster te verbeteren, proberen we vaak de vacuümgraad van het systeem zoveel mogelijk te verhogen.
Als het wordt berekend op basis van N2-moleculen bij kamertemperatuur, en ervan uitgaande dat alle moleculen op het botsingsoppervlak worden geadsorbeerd, wordt een laag moleculen in 3 seconden geadsorbeerd op het monsteroppervlak onder vacuümomstandigheden van 10-6 Torr. In populaire wetenschappelijke propaganda beschrijven we het belang van vacuüm vaak door 10-6 Torr te gebruiken, wat overeenkomt met 1 s monolaagdekkingstijd. Deze term is vrij levendig en gemakkelijk te begrijpen, maar studenten die zich bezighouden met oppervlakteonderzoek, mogen deze niet gebruiken als basis voor wetenschappelijk onderzoek.
Het statistische gemiddelde van de afstand tussen twee aangrenzende botsingen van elk gasmolecuul wordt het gemiddelde vrije pad van het molecuul genoemd. De grootte van het gemiddelde vrije pad van moleculen is gerelateerd aan het type, de dichtheid en de snelheid van moleculen in vacuüm. Bij kamertemperatuur, rekening houdend met N2, is het gemiddelde vrije pad van gasmoleculen omgekeerd evenredig met de gasdruk: bij atmosferische druk (105 Pa) is het gemiddelde vrije pad 59 nm en bij 10-7 Pa is het gemiddelde vrije pad maar liefst 59 km. Op basis van deze parameter kunnen we het minimale vacuüm schatten dat nodig is voor magnetron sputteringgroei.
Het gemiddelde vrije pad van elektronen verwijst naar het statistische gemiddelde van de afgelegde afstand tussen twee opeenvolgende botsingen van elektronen en gasmoleculen (botsingen tussen elektronen negerend). Deze parameter wordt voornamelijk toegepast op het experimentele systeem voor het foto-elektrische energiespectrum.
Bij ultrahoge vacuümomstandigheden wordt thermische convectie doorgaans genegeerd en wordt vooral rekening gehouden met thermische straling en geleiding.Lage temperatuursystemen(vloeibaar helium, vloeibare stikstof) overwegen voornamelijk het voorkomen van de overdracht van externe warmte. Voor systemen die vloeibare stikstof gebruiken, is warmtegeleiding de belangrijkste warmtebron; Voor systemen die vloeibaar helium gebruiken, kan externe thermische straling niet worden genegeerd en moet er speciale aandacht worden besteed aan het ontwerp van het systeem. Hogetemperatuursystemen moeten rekening houden met de stijging van de materiaaltemperatuur en de gasafgifte die worden veroorzaakt door de thermische straling die wordt gegenereerd door het verwarmen van het filament. Warmtegeleiding bij hoge temperaturen heeft voornamelijk invloed op de temperatuurmeting van thermokoppels. Bovendien kan de thermische straling die wordt gegenereerd door het materiaal zelf nadat het is verhit tot een hogere temperatuur, niet worden genegeerd.
Het toepassingsgebied van ultrahoog vacuüm
Het toepassingsgebied van ultrahoog vacuüm is zeer uitgebreid en hier noemen we er een aantal die het nauwst verwant zijn aan oppervlaktefysicaonderzoek.inclusief magnetron sputteren, laserpulsdepositie, moleculaire bundelepitaxie, oppervlakteanalyse, En deeltjesversnellers.
Ultrahoge vacuümtechnologie wordt veel gebruikt op het gebied van moleculaire bundelepitaxie en oppervlakteanalyse, en verschillende soorten moleculaire bundelepitaxieapparatuur, foto-elektronenspectroscopie, scanning tunneling microscopie en andere preparatiekarakteriseringssystemen werken binnen dit bereik. Omdat vacuümsystemen vaak een aanzienlijk deel van de kosten van de systeemconstructie uitmaken, is het kiezen van de juiste pompset en het snel verkrijgen van de best mogelijke vacuümgraad via geschikte middelen een veelvoorkomend probleem dat verwante vakgebieden parten speelt.
Deeltjesversnellers stellen de strengste eisen aan vacuüm, maar vanwege de hoge totale systeemkosten is de vacuümpompeenheidis niet het hoofdbestanddeel van de kosten. Over het algemeen worden betere vacuümpompen zo veel mogelijk geconfigureerd. Bovendien is er over het algemeen geen vervuilingsbron in de versnellerkamer en bereikt de vacuümgraad gewoonlijk een zeer hoog vacuümbereik.
Magnetronsputteren genereert aanzienlijke vervuiling tijdens het verdampingsproces vanwege mechanismeproblemen en streeft doorgaans geen bijzonder hoge vacuümniveaus na.Moleculaire pompeenhedenzijn over het algemeen voldoende om te voldoen aan de gebruiksvoorwaarden. In de afgelopen jaren is de vacuümgraad van magnetron-sputtersystemen voortdurend verbeterd met de voortdurende vooruitgang van de technologie en de verdere ontwikkeling van de onderzoeksbehoeften, en ultrahoog vacuümgerelateerde technologieën betreden ook voortdurend dit veld.
In het verleden was de vraag naar vacuümgraad in laserpulsdepositie (PLD)-technologie tussen moleculaire bundelepitaxie en magnetronsputteren. De laatste jaren is de vraag naar vacuümgraad ook voortdurend toegenomen door de geleidelijke integratie met moleculaire bundelepitaxie (MBE)-technologie. Lasermoleculaire bundelepitaxie (LMBE) is een ultrahoge vacuümtechnologie die MBE in PLD integreert.
