Unități comune pentruvid ultra-înalt
1. Milibarii (mbari) sunt unități de presiune a aerului, 1000 mbar=1 bar=1 * 105 Pa;
2. Torr provine din coloana milimetrică de mercur (mmHg) din experimentul Torricelli, cu 760 Torr=1 atm;
3. Pa provine din Sistemul Internațional de Unități (SI), unde 1 Pa este egal cu 1 N/m2;
Notă: Pa este unitatea derivată din Sistemul internațional de unități, nu unitatea de bază.
Notă: 1 bar este definit strict ca 105 Pa, iar 1 atm este definit strict ca 101325 Pa. Cele două sunt în general considerate consecvente în utilizarea practică, dar au definiții diferite.
Notă: În utilizare practică, datorită valorilor similare ale Torr și mbar, acestea sunt în general considerate echivalente atunci când nu este necesară precizia.
Notă: Kilogramele (kg/cm2) sunt adesea folosite ca unitate de presiune în inginerie, cu o valoare apropiată de 105 Pa.
Definiţia ultra-high vacuum
1. Vid ultraînalt (UHV), definit în general ca 10-7-10-12 mbar;
2. High vacuum (HV), generally defined as>10-7 mbar;
3. Vid extrem de ridicat (XHV), definit în general ca<10-12 mbar.
Caracteristici ale vidului ultra-înalt
Curățenia ridicată este motivul fundamental pentru care analiza suprafeței necesită un vid ultra-înalt. Fizica suprafeței studiază adesea fenomenele fizice ale mai multor straturi atomice de pe suprafață. Prin urmare, chiar și în condiții de vid, adsorbția moleculelor de gaz pe suprafața probei poate afecta semnificativ rezultatele experimentale. Folosim adesea „durata de viață” pentru a descrie timpul necesar pentru curățarea unei suprafețe de probă și ca rezultatele experimentale să fie afectate de contaminare. Datorită abilităților diferite de adsorbție ale moleculelor de gaz, există diferențe semnificative în timpul de viață al probei între diferitele probe. Chiar și pentru același eșantion, experimente diferite vor avea definiții complet diferite ale duratei de viață a probei. În general, durata de viață a stărilor de suprafață este mult mai scurtă decât cea a stărilor corpului.
În știința suprafeței, L (Langmuir) este folosit pentru a defini expunerea unei suprafețe de probă, unde 1 L=10-6 Torr * s. Putem observa că expunerea probei este invers proporțională cu presiunea aerului. Deci, pentru a îmbunătăți durata de viață a probei, încercăm adesea să creștem gradul de vid al sistemului cât mai mult posibil.
Dacă se calculează pe baza moleculelor de N2 la temperatura camerei, având în vedere că toate moleculele de pe suprafața de coliziune sunt adsorbite, un strat de molecule va fi adsorbit pe suprafața probei în 3 secunde în condiții de vid de 10-6 Torr. În propaganda științifică populară, descriem adesea importanța vidului utilizând 10-6 Torr corespunzător timpului de acoperire monostrat de 1 s. Acest termen este destul de viu și ușor de înțeles, dar studenții implicați în cercetarea de suprafață nu trebuie să-l folosească ca bază pentru cercetarea științifică.
Media statistică a distanței dintre două ciocniri adiacente ale fiecărei molecule de gaz se numește calea liberă medie a moleculei. Mărimea căii libere medii a moleculelor este legată de tipul, densitatea și viteza moleculelor în vid. La temperatura camerei, luând în considerare N2, calea liberă medie a moleculelor de gaz este invers proporțională cu presiunea gazului: la presiunea atmosferică (105 Pa), calea liberă medie este de 59 nm, iar la 10-7 Pa, calea liberă medie este de până la 59 km. Pe baza acestui parametru, putem estima vidul minim necesar pentru creșterea prin pulverizare cu magnetron.
Calea medie liberă a electronilor se referă la media statistică a distanței parcurse între două ciocniri consecutive de electroni și molecule de gaz (ignorând ciocnirile dintre electroni). Acest parametru se aplică în principal sistemului experimental cu spectrul de energie fotoelectrică.
În condiții de vid ultra-înalt, convecția termică este în general ignorată, iar radiația termică și conducția sunt în principal luate în considerare.Sisteme de temperatură scăzută(heliu lichid, azot lichid) iau în considerare în principal prevenirea transferului de căldură externă. Pentru sistemele care utilizează azot lichid, conducerea căldurii este principala sursă de căldură; Pentru sistemele care utilizează heliu lichid, radiația termică externă nu poate fi ignorată și trebuie acordată o atenție deosebită la proiectarea sistemului. Sistemele de temperatură înaltă trebuie să ia în considerare creșterea temperaturii materialului și eliberarea de gaz cauzată de radiația termică generată de încălzirea filamentului. Conducerea căldurii la temperaturi ridicate afectează în principal măsurarea temperaturii termocuplurilor. În plus, radiația termică generată de materialul în sine după ce a fost încălzit la o temperatură mai ridicată nu poate fi ignorată.
Domeniul de aplicare al vidului ultra-înalt
Domeniul de aplicare al vidului ultra-înalt este foarte extins și aici enumeram câteva dintre cele mai strâns legate de cercetarea fizicii suprafețelor,inclusiv pulverizarea cu magnetron, depunerea pulsului laser, epitaxia fasciculului molecular, analiza suprafeței, și acceleratori de particule.
Tehnologia de vid ultra-înalt este utilizată pe scară largă în domeniile epitaxiei cu fascicul molecular și al analizei suprafeței, iar în acest interval funcționează diferite tipuri de echipamente de epitaxie cu fascicul molecular, spectroscopie fotoelectronică, microscopie cu scanare tunel și alte sisteme de caracterizare a pregătirii. Datorită faptului că sistemele de vid reprezintă adesea o proporție semnificativă din costurile de construcție a sistemului, modul de a alege setul de pompe adecvat și de a obține rapid cel mai bun grad de vid posibil prin mijloace adecvate este o problemă comună care deranjează domeniile conexe.
Acceleratoarele de particule au cele mai stricte cerințe pentru vid, dar datorită costului general ridicat al sistemului, unitate de pompa de vidnu este componenta principală a costului. În general, pompele de vid mai bune sunt configurate cât mai mult posibil. În plus, în general nu există nicio sursă de poluare în camera de accelerație, iar gradul de vid atinge de obicei un interval de vid foarte mare.
Pulverizarea cu magnetron generează o poluare semnificativă în timpul procesului de evaporare din cauza problemelor de mecanism și, de obicei, nu urmărește niveluri deosebit de ridicate de vid.Unități de pompă molecularăsunt în general suficiente pentru a îndeplini condițiile de utilizare. În ultimii ani, odată cu evoluția continuă a tehnologiei și dezvoltarea în continuare a nevoilor de cercetare, gradul de vid al sistemelor de pulverizare cu magnetron a fost îmbunătățit continuu, iar tehnologiile legate de vid ultra-înalt intră în mod constant în acest domeniu.
În trecut, cererea pentru gradul de vid în tehnologia depunerii cu impulsuri laser (PLD) era între epitaxia cu fascicul molecular și pulverizarea magnetronului. În ultimii ani, datorită integrării treptate cu tehnologia epitaxiei cu fascicul molecular (MBE), cerințele pentru gradul de vid a crescut constant. Epitaxia fasciculului molecular cu laser (LMBE) este o tehnologie de vid ultra-înalt care încorporează MBE în PLD.
