Gemeinsame Einheiten fürUltrahochvakuum
1. Millibar (mbar) sind Einheiten des Luftdrucks, 1000 mbar=1 bar=1 * 105 Pa;
2. Torr kommt von der Millimeter-Quecksilbersäule (mmHg) im Torricelli-Experiment mit 760 Torr=1 atm;
3. Pa kommt aus dem Internationalen Einheitensystem (SI), wobei 1 Pa 1 N/m2 entspricht;
Hinweis: Pa ist die abgeleitete Einheit im Internationalen Einheitensystem und nicht die Basiseinheit.
Hinweis: 1 Bar ist streng definiert als 105 Pa und 1 atm ist streng definiert als 101325 Pa. Die beiden Werte werden in der Praxis im Allgemeinen als konsistent betrachtet, haben jedoch unterschiedliche Definitionen.
Hinweis: Aufgrund der ähnlichen Werte von Torr und mbar werden diese in der Praxis im Allgemeinen als gleichwertig angesehen, wenn es nicht auf Genauigkeit ankommt.
Hinweis: Kilogramm (kg/cm2) werden in der Technik häufig als Druckeinheit verwendet, der Wert liegt nahe bei 105 Pa.
Definition von Ultrahochvakuum
1. Ultrahochvakuum (UHV), allgemein definiert als 10-7-10-12 mbar;
2. High vacuum (HV), generally defined as>10-7 mbar;
3. Extrem hohes Vakuum (XHV), allgemein definiert als<10-12 mbar.
Eigenschaften des Ultrahochvakuums
Hohe Sauberkeit ist der grundlegende Grund, warum für die Oberflächenanalyse Ultrahochvakuum erforderlich ist. In der Oberflächenphysik werden häufig die physikalischen Phänomene mehrerer Atomschichten auf der Oberfläche untersucht. Daher kann die Adsorption von Gasmolekülen auf der Probenoberfläche selbst unter Vakuumbedingungen die Versuchsergebnisse erheblich beeinflussen. Wir verwenden häufig den Begriff „Lebensdauer“, um die Zeit zu beschreiben, die benötigt wird, bis eine Probenoberfläche gereinigt ist und die Versuchsergebnisse durch Verunreinigungen beeinträchtigt werden. Aufgrund der unterschiedlichen Adsorptionsfähigkeiten von Gasmolekülen gibt es erhebliche Unterschiede in der Probenlebensdauer verschiedener Proben. Sogar für dieselbe Probe wird die Probenlebensdauer in verschiedenen Experimenten völlig unterschiedlich definiert. Im Allgemeinen ist die Lebensdauer von Oberflächenzuständen viel kürzer als die von Körperzuständen.
In der Oberflächenwissenschaft wird L (Langmuir) verwendet, um die Belichtung einer Probenoberfläche zu definieren, wobei 1 L=10-6 Torr * s. Wir können sehen, dass die Belichtung der Probe umgekehrt proportional zum Luftdruck ist. Um die Lebensdauer der Probe zu verbessern, versuchen wir daher oft, den Vakuumgrad des Systems so weit wie möglich zu erhöhen.
Wenn man die Berechnung auf der Grundlage von N2-Molekülen bei Raumtemperatur vornimmt und davon ausgeht, dass alle Moleküle auf der Kollisionsfläche adsorbiert sind, wird unter Vakuumbedingungen von 10-6 Torr in 3 Sekunden eine Molekülschicht auf der Probenoberfläche adsorbiert. In der populärwissenschaftlichen Propaganda beschreiben wir die Bedeutung des Vakuums oft mit 10-6 Torr, was einer Bedeckungszeit von einer Sekunde mit einer Monoschicht entspricht. Dieser Begriff ist recht anschaulich und leicht verständlich, aber Studenten, die sich mit Oberflächenforschung beschäftigen, sollten ihn nicht als Grundlage für wissenschaftliche Forschung verwenden.
Der statistische Durchschnitt der Entfernung zwischen zwei benachbarten Kollisionen jedes Gasmoleküls wird als durchschnittliche freie Weglänge des Moleküls bezeichnet. Die Größe der durchschnittlichen freien Weglänge von Molekülen hängt von der Art, Dichte und Geschwindigkeit der Moleküle im Vakuum ab. Bei Raumtemperatur ist die durchschnittliche freie Weglänge von Gasmolekülen unter Berücksichtigung von N2 umgekehrt proportional zum Gasdruck: Bei atmosphärischem Druck (105 Pa) beträgt die durchschnittliche freie Weglänge 59 nm und bei 10-7 Pa beträgt die durchschnittliche freie Weglänge sogar 59 km. Basierend auf diesem Parameter können wir das für das Wachstum durch Magnetronsputtern erforderliche Mindestvakuum abschätzen.
Die durchschnittliche freie Weglänge von Elektronen bezieht sich auf den statistischen Durchschnitt der Distanz, die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kollisionen von Elektronen und Gasmolekülen zurückgelegt wird (Kollisionen zwischen Elektronen werden dabei ignoriert). Dieser Parameter wird hauptsächlich auf das experimentelle System des photoelektrischen Energiespektrums angewendet.
Unter Ultrahochvakuumbedingungen wird die Wärmekonvektion im Allgemeinen ignoriert; berücksichtigt werden hauptsächlich Wärmestrahlung und Wärmeleitung.Niedertemperatursysteme(flüssiges Helium, flüssiger Stickstoff) berücksichtigen hauptsächlich die Verhinderung der Übertragung externer Wärme. Bei Systemen mit flüssigem Stickstoff ist die Wärmeleitung die Hauptwärmequelle; bei Systemen mit flüssigem Helium kann die externe Wärmestrahlung nicht ignoriert werden und muss bei der Konstruktion des Systems besonders beachtet werden. Bei Hochtemperatursystemen müssen der Temperaturanstieg des Materials und die Gasfreisetzung berücksichtigt werden, die durch die durch das Erhitzen des Glühfadens erzeugte Wärmestrahlung verursacht werden. Die Wärmeleitung bei hohen Temperaturen beeinflusst hauptsächlich die Temperaturmessung von Thermoelementen. Darüber hinaus kann die vom Material selbst erzeugte Wärmestrahlung, nachdem es auf eine höhere Temperatur erhitzt wurde, nicht ignoriert werden.
Das Anwendungsgebiet des Ultrahochvakuums
Das Anwendungsgebiet des Ultrahochvakuums ist sehr umfangreich. Hier sind einige Anwendungen aufgeführt, die am engsten mit der Oberflächenphysikforschung verbunden sind.einschließlich Magnetronsputtern, Laserpulsabscheidung, Molekularstrahlepitaxie, Oberflächenanalyse, Und Teilchenbeschleuniger.
Ultrahochvakuumtechnologie wird häufig in den Bereichen Molekularstrahlepitaxie und Oberflächenanalyse eingesetzt. In diesem Bereich arbeiten verschiedene Arten von Molekularstrahlepitaxiegeräten, Photoelektronenspektroskopie, Rastertunnelmikroskopie und anderen Präparationscharakterisierungssystemen. Da Vakuumsysteme oft einen erheblichen Anteil der Systembaukosten ausmachen, ist die Auswahl des geeigneten Pumpensatzes und die schnelle Erzielung des bestmöglichen Vakuumgrads mit geeigneten Mitteln ein häufiges Problem in verwandten Bereichen.
Teilchenbeschleuniger stellen die strengsten Anforderungen an das Vakuum, aber aufgrund der hohen Gesamtsystemkosten ist der Vakuumpumpeneinheitist nicht der Hauptbestandteil der Kosten. Im Allgemeinen werden möglichst bessere Vakuumpumpen konfiguriert. Darüber hinaus gibt es in der Beschleunigerkammer im Allgemeinen keine Verschmutzungsquelle und der Vakuumgrad erreicht normalerweise einen sehr hohen Vakuumbereich.
Beim Magnetronsputtern entsteht aufgrund mechanischer Probleme während des Verdampfungsprozesses eine erhebliche Umweltverschmutzung, und in der Regel werden keine besonders hohen Vakuumniveaus angestrebt.Molekulare Pumpeinheitensind im Allgemeinen ausreichend, um die Nutzungsbedingungen zu erfüllen. In den letzten Jahren wurde mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie und der Weiterentwicklung der Forschungsanforderungen der Vakuumgrad von Magnetronsputtersystemen kontinuierlich verbessert, und auch Technologien im Zusammenhang mit Ultrahochvakuum halten in diesem Bereich ständig Einzug.
In der Vergangenheit lag der Bedarf an Vakuumgraden bei der Laserpulsabscheidung (PLD) zwischen Molekularstrahlepitaxie und Magnetronsputtern. In den letzten Jahren ist aufgrund der schrittweisen Integration mit der Molekularstrahlepitaxie (MBE)-Technologie auch der Bedarf an Vakuumgraden ständig gestiegen. Die Lasermolekularstrahlepitaxie (LMBE) ist eine Ultrahochvakuumtechnologie, die MBE in PLD integriert.
