光學(xué)薄膜制備的基礎(chǔ)——真空技術(shù)

真空是制備光學(xué)薄膜的基礎(chǔ)。目前，大部分薄膜的制備都是在真空條件下進(jìn)行的。本文簡要介紹與光學(xué)薄膜制備相關(guān)的基本真空知識。

1、真空的發(fā)現(xiàn)

在1641年，意大利數(shù)學(xué)家托里拆利（Torricelli）在一端封閉的長玻璃管內(nèi)加滿，然后緩慢的將管口倒置在一個盛滿的容器內(nèi)，管內(nèi)的高度極值是76厘米，這時玻璃上方?jīng)]有的區(qū)域便是真空狀態(tài)。如果用水來代替，則水柱的高度極值是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(qiáng)（作用在單位面積上的力）來衡量。壓強(qiáng)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(guān)系如下：

(1)  標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)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(yùn)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(yīng)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(jìn)行。

真空區(qū)域的劃分

為了便于討論和實際應(yīng)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(yùn)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)明顯減少，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(yùn)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(shè)N0個蒸發(fā)粒子行進(jìn)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?jǐn)?shù)：

f=1- Nd/ N0=1- e-d/l（2）

根據(jù)（2）式計算可知，當(dāng)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%?？梢?，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(qiáng)）（4）

將（4）式代入（3）式可得：

f≈1.5dP（5）

為保證膜層質(zhì)量，設(shè)f≤10-1。當(dāng)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(jī)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(yīng)。

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