选修课-真空技术与纳米材料复习资料.doc

选修课-真空技术与纳米材料复习资料说明：一.考试题型：填空题（每空2分，共16分）二.判断题(对的在（）内打，错的在（）内打。（每题2分，共10分）)选择题（每小题3分，共24分）综合填空题（共40分）简述题： 简述本次公选课你的收获和教学修改意见（不少于150字）（共10分）二.考试内容基本上都含在资料里，但不是直接出现，以上述形式出现。希望同学们认真阅读，并结合实践和平时上课理解。三.切忌外传，不得带进考场！ 正文：一.纳米材料部分1.常见的纳米材料半导体材料：半导体材料的制备及其性质是材料科学广泛研究的，如太阳能电池利用半导体材料的内光电效应把光能转化为电能，常用于太阳能电池的半导体材料有ITO（掺锡的氧化铟In2O3+SnO2）、AZO（掺铝的氧化锌）、GaAs。LED（发光二极管）利用半导体材料的电致发光特性把电能转化为光能。超导材料：超导材料有两大基本物理特性：零电阻特性和完全抗磁性，零电阻特性可以解决导电材料产生的焦耳热问题，利用完全抗磁性已做出了磁悬浮列车。超导材料的弊端就是转变温度太低，现在已基本可以实现室温超导。压电材料：简单说就是把压力信号转换成电信号的材料，应用于各种压力传感器。高端的扫描探针显微镜就是利用这种材料实现图像扫描的。2.常见的纳米薄膜材料制备方法纳米材料按形状分可有纳米颗粒、纳米薄膜、纳米线、纳米棒、纳米管等。最常见的就是纳米薄膜。纳米薄膜材料的制备方法大致可分两大类：化学方法和物理方法。这里主要介绍PVD（物理气相沉积）和CVD（化学气相沉积）PVD：一般一定要抽真空，主要方式有蒸发、磁控溅射和离子镀CVD：一般也要抽真空，主要有热丝-CVD，微波CVD，PECVD（等离子增强化学气相淀积）和MOCVD（金属有机化合物化学气相淀积）。3.常见的纳米材料表征手段纳米材料性能的表征主要包括结构分析、成分分析、表面分析、界面分析、颗粒分析、光电等特性分析等。这里主要介绍纳米薄膜材料的结构分析、颗粒和表面分析、光电等特性分析。成分和结构分析：主要用X射线的穿透功能实现，常见的有X射线荧光光谱分析 (XFS) 、X射线衍射仪（XRD）、扩展X射线吸收精细结构测定仪（EXAFS）等。颗粒和表面分析：纳米材料的颗粒和表面观察不能再用光学显微镜了，常见的有扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)等（STM 、AFM等现在可统一在一起使用，称扫描探针显微镜）。 光电等特性分析：光学性质的常用光谱仪（透射光谱、吸收光谱）双光束分光光度计等；电学性质的：四探针仪、霍尔效应仪、多功能数字万用表等，磁学性质的：振动样品磁强计和可以检测磁畴的扫描探针显微中的一种MFM（磁力显微镜）；功能比较齐全的多功能物理特性测量系统。4.纳米科学专业名词缩写含义纳米材料中有很多缩写：如ITO（掺锡的氧化铟In2O3+SnO2）、AZO（掺铝的氧化锌）；LED（发光二极管）、LCD（液晶屏幕）XRD（X射线衍射仪）和XPS（X射线光电子能谱仪）；扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM) ，MFM（磁力显微镜）；PVD（物理气相沉积）和CVD（化学气相沉积），PECVD（等离子增强化学气相淀积）和MOCVD（金属有机化合物化学气相淀积）。二.真空技术部分1.真空分区分区压强范围（单位Pa）高真空10-110-6 Pa粗真空105103 Pa超高真空10-610-10 Pa低真空10310-1 Pa极高真空10-10 Pa2.真空获得获得真空需要真空泵，下面给出几种常见的真空泵及其工作压强范围：机械泵10510-2 Pa分子泵10110-8Pa吸附泵10510-2 Pa离子泵10010-10Pa扩散泵10010-5 Pa低温泵10-110-11Pa从以上表格可以看出，一些泵是不能单独使用，如分子泵，一般采用机械泵为前级泵，压强大到100 Pa以下才能使用。机械泵和扩散泵基础 机械泵一般都是旋片式的，工作工程：吸气压缩排气。定子浸在油中起润滑，密封和堵塞缝隙的作用。扩散泵一般都是油压式的，工作工程：油蒸发喷射凝结，重复循环。扩散泵里的油主要是利用油蒸汽带走空气。所以使用前一定要给油加热。由于加热后的油形成射流，具有工作过程高流速(约200米/秒)、高密度、高分子量(300500)，故能有效地带走气体分子。3.真空测量获得了真空要测量到数据才能被证实，测量真空的用真空计，常见的低真空用热偶规管，高真空用电离规管。4.真空技术应用电子技术、航空航天技术、加速器、表面物理、微电子、材料科学、医学、化工、工农业生产、日常生活等各个领域中都要用到。5.真空镀膜真空镀膜方法主要是物理方法，常见的PVD，主要有蒸发、溅射、离子镀三类，主要是根据使块体材料气化的能源不同划分的。PVD真空镀膜设备主要组成：抽真空系统和镀膜系统。下面以JCP-350设备说明抽真空系统和镀膜系统组成和工作过程。抽真空系统：两个泵（机械泵和扩散泵），三个阀门（前级阀、旁路阀、主阀）组成三条气路：机械泵与工作室之间用旁路阀控制；扩散泵出口（前端，常称储气罐）与机械泵用前级阀控制；扩散泵与工作室通过主阀控制；形成如下三条气路：A一路工作室内的气体由机械泵经旁路阀直接抽出；B一路储气罐内的气体由机械泵经前级阀直接抽出；c一路工作室内的气体由扩散泵经主阀抽出到储气罐，再有机械泵经前级阀抽出。镀膜系统主要包含镀膜室和镀膜电源。以JCP-350为例，此镀膜机有两种镀膜方式：电阻蒸发和磁控溅射，所以镀膜室内含有蒸发要用的电极、舟，磁控溅射要用的靶材、靶材挡板、氩气进气口（也可以进其他气体）以及蒸发磁控都用的基片台和基片台挡板，测量真空度的热偶规管和电离规管。室侧壁有观察窗，外侧有充气阀。镀膜电源有蒸发式的蒸发电源，磁控溅射的双击脉冲电源和射频电源。真空镀膜过程-以JCP-350蒸发法制备金属材料为例说明过程需要完成的工作及方法准备开启总电源，检查：是否有水核按钮是否灵活。开真空腔：方法：打开充气阀让真空腔进气，放材料：基片和镀膜原料；检查挡板和转速设定是否正常，关真空腔和充气阀；开机抽真空开机：开机械泵和真空计，抽气：开旁路阀或前级阀，当真空计右窗口压强达到5.0Pa以下，开扩散泵加热， 45min以后前级阀处于开状态，旁路阀处于关状态，才可以开主阀。在此45min内前级阀和旁路阀轮换抽。开启主阀后当真空计左窗口压强达到 5.0E-3Pa左右，可以开始镀膜。镀膜开蒸发电源，选择蒸发电极，增加电流，开始时缓慢增加，当增加到100A时可观察到真空腔内原料发红。增加到150A开始镀膜，设定转速，打开基片台挡板，记录镀膜时间。镀膜结束后，减小到0A，关主阀（填“旁路”.“前级”或“主”）等。取样镀膜结束5min以后或关机时取出样品。