超高真空技术简介课件

表面物理学江颖量子材料中心表面物理学江颖清洁表面的获得 1.1超高真空的意义 1.2清洁表面的获得手段2.分子束外延简介3.外延生长 3.1外延生长的定义 3.2外延生长的动力学过程4.反射式高能电子衍射5.分子束外延应用实例上节课回顾：清洁表面的制备及分子束外延上节课回顾：清洁表面的制备及分子束外延超高真空技术简介超高真空基础超高真空的获得超高真空的测量超高真空检漏超高真空技术简介超高真空基础超高真空基础超高真空基础真空分类P<10-6Pa(10-8Torr)真空分类P<10-6Pa(10-8Torr)超高真空(UltrahighVacuum)技术 －－获得清洁表面的前提为什么需要超高真空技术？由气体动力学方程，单位体积的气体分子与单位金属表面的碰撞频率n单位体积内气体分子个数ca平均速度而均方根速率为又有超高真空(UltrahighVacuum)技术为什么需要得到当P的单位取torr，T的单位取K，m由分子量M取代，有(cm-2s-1)N2分子量为28，室温293K，1torr压力下，

=3.881020

cm-2s-1典型固体表面原子密度约为1015cm-2，假设碰撞到表面上的分子完全被吸附，则形成一个单层在10-6torr的压力下仅需3s在气压为10-10Torr或10-11Torr时，吸附单分子层的时间将达几小时到几十小时。除了极少数特例外(Au,石墨)，所有的清洁表面都必须在超高真空中获得和保持。

得到当P的单位取torr，T的单位取K，m由分子量M取代，有平均自由程Continuousflow(λ<<d)Knudsenflow(λ~d)Molecularflow(λ>>d)Flowrangesinvacuumλd：分子球直径n：气体密度平均自由程Continuousflow(λ<<d)Fl超高真空技术简介课件超高真空为各种表面科学研究、材料生长和器件应用的基础表面结构、能态表面化学反应表面吸附和生长动力学表面纳米结构的制备和物性磁性薄膜分子自组装薄膜半导体薄膜精确掺杂分子束外延生长大规模集成电路溅射镀膜超高真空表面结构、能态半导体薄膜精确掺杂1958年，第一界国际技术会议建议采用“托”(Torr)作为测量真空度的单位。国际单位制(SI)中规定压力的单位为帕(Pa)。1标准大气压(1atm)≈1.013×105Pa(帕)1Torr≈1/760atm≈1mmHg1Torr≈133Pa1bar≈1标准大气压1mbar≈100Pa在表面科学中，用L(langmuir)表示气体在样品表面的暴露量，定义：1L=10-6torr

s例如：当系统压力为10-6torr，通入某气体的时间为1秒，则暴露量为1L**********************************常用物理量1958年，第一界国际技术会议建议采用“托”(Torr)作为超高真空技术简介课件Multi-probeUHVsystemMulti-probeUHVsystemMini-UHVsystemMini-UHVsystem超高真空的获得超高真空的获得系统的极限压强真空壳体及其内部的元部件的气流量泵的有效抽速系统的极限压强真空壳体及其内部的元部件的气流量真空系统中的气体源经容器壁和连接处的泄漏虚漏蒸发体出气表面出气分解高能粒子轰击出气真空系统中的气体源经容器壁和连接处的泄漏超高真空兼容的材料玻璃，石英，Sapphire（观察窗）高纯金属，如：Cu，Al，不锈钢等（真空腔体，真空零件）陶瓷，云母，teflon，Sapphire（绝缘）合成橡胶，环氧树脂，氟橡胶（O圈密封）超高真空兼容的材料玻璃，石英，Sapphire（观察窗）超高真空应避免的材料Plastics，commonsteel，lead，indium，zinc,cadmium，water.Avoidalltracesofhydrocarbons,includingskinoilsinafingerprint.超高真空应避免的材料Plastics，commonstee超高真空腔体饱和蒸汽压低耐450度以上高温烘烤气体渗漏可以忽略强度足够大经得住大气压高温下耐腐蚀304,316不锈钢超高真空腔体饱和蒸汽压低304,316不锈钢表面出气达到平衡的时间随温度的变化室温300ºC表面出气达到平衡的时间随温度的变化室温300ºC烘烤（150-200ºC）烘烤罩加热带+铝箔主要去除吸附在腔壁上的水和碳氢化合物烘烤（150-200ºC）烘烤罩加热带+铝箔主要去除吸附在不可拆卸密封方式Weldedconnectionsstainlesssteel，aluminumBrazedconnectionsjoinmetalsatsolderingtemperaturesofabove600CFusingglasscomponents(inglassequipment)andforglass-to-metalconnectionsMetalizedconnectionsCeramic-to-metalconnections不可拆卸密封方式Weldedconnections可拆卸密封方式rubbero-rings,moldedrubberrings,rubberdiaphragmsorcups,softmetal/hardmetalseals,hardmetal/hardmetalseals,softmetal/polishedsapphireflat.可拆卸密封方式rubbero-rings,molded静密封：CF法兰铜垫圈极限真空度<10-9Pa，漏率<10-12Pam-3s-1刀口静密封：CF法兰铜垫圈极限真空度<10-9Pa，漏率<10动密封：机械运动波纹管短程移动和低速转动动密封：机械运动波纹管短程移动和低速转动磁耦合长程移动和高速转动磁耦合长程移动和高速转动角阀橡胶或Cu垫片角阀橡胶或Cu垫片闸板阀“VITONA”闸板阀“VITONA”漏阀sapphirecopper漏阀sapphirecopper真空泵分类真空泵分类泵的抽速和极限压强定义气流率：则质量变化率为：定义泵抽速：设系统内部出气率和漏气率为Qi，泵的抽气率为Qo：则有：假设泵的抽速S和出气率Qi为常数：在t时，系统达到极限压强：泵的抽速和极限压强定义气流率：则质量变化率为：定义泵抽速：设压缩比极限压强通常由压缩比和漏气率共同决定定义压缩比：其中P2和P1分别是泵的出口和入口处的压强。压缩比极限压强通常由压缩比和漏气率共同决定定义压缩比：其中P涡轮分子泵（molecularturbopump）涡轮分子泵（molecularturbopump）工作原理压缩比：抽速：平均速度：工作原理压缩比：抽速：平均速度：抽速vs.转速PfeifferVacuumturbomolecularpump抽速vs.转速PfeifferVacuumturb压缩比PfeifferVacuumturbomolecularpump压缩比PfeifferVacuumturbomolec抽速vs.分子质量PfeifferVacuumturbomolecularpump抽速vs.分子质量PfeifferVacuumtur抽速vs.工作压强分子泵前级压强必须小于1mbar，保证分子泵处于分子流状态PfeifferVacuumturbomolecularpump抽速vs.工作压强分子泵前级压强必须小于1mbar，保证溅射离子泵（sputteringionpump）Varian,Inc.VacuumTechnologies溅射离子泵（sputteringionpump）Vari对惰性气体的抽速不敏感，氩气的抽气率只有氮气的1%。工作原理溅射抽钛膜气：活性气体(e.g.CO,CO2,H2,N2,O2).注入式抽气：所有气体，尤其是惰性气体。对惰性气体的抽速不敏感，氩气的抽气率只有氮气的1%。工作原理抽速vs.工作压强溅射离子泵的抽速与阳极电压和磁场强度有关，磁场强时抽速也大，对应最佳抽速的阳极电压也高极限压强<10-11mbar抽速vs.工作压强溅射离子泵的抽速与阳极电压和磁场强度有钛升华泵（sublimationpump）对活性气体的抽速很大，但对惰性气体不敏感，辅助到达超高真空钛丝缠绕式合金丝式钛升华泵（sublimationpump）对活性气体的抽速超高真空技术简介课件冷凝泵（coldtrap）压强升高到饱和蒸汽压，就会发生气体凝结于表面形成像固体或液体样的多分子层极限压强<10-11Pa冷凝泵（coldtrap）压强升高到饱和蒸汽压，就会发生气组合泵溅射离子泵冷凝泵升华泵组合泵溅射离子泵冷凝泵升华泵超高真空的测量超高真空的测量真空测量总压强分压强真空测量总压强冷阴极离子规（Coldcathodeionizationvacuumgauges）

1-2kGinvertedmagnetronPfeifferVacuumIKR270Typicaloperatingrange：10-2to10-9TorrMeasurementaccuracy:20-30%冷阴极离子规（Coldcathodeionization热阴极离子规(Hotcathodeionizationvacuumgauges)

Typicalrange:10-3to10-11TorrMeasurementaccuracy:3%Bayard-Alpertsensors热阴极离子规(Hotcathodeionization两种真空规的比较BAG的准确率远好于CCGBAG的可测得极限压强低于CCG使用BAG需要对灯丝除气，CCG则不用CCG在低真空下易被污染对于需要频繁抽真空，真空度在10-9Torr以上的系统，优选CCG两种真空规的比较BAG的准确率远好于CCG质谱仪SectorfielddevicesusethedeflectioneffectofamagneticfieldonmovingchargecarriersTime-of-flightmass(TOF)spectrometersutilizethedifferingvelocitiesofmoleculesofequalenergyforseparationQuadrupolemassspectrometersutilizetheresonanceofmovingionsinahigh-frequencyfield(similartoiontraps)质谱仪SectorfielddevicesusethSectorfieldmassspectrometers对于单荷离子：（cm）离心力公式离子源的粒子被加速：SectorfieldmassspectrometerQuadrupolemassspectrometers定义：离子在四极场中满足Mathieu型方程：Quadrupolemassspectrometers定Stabilitydiagram稳定不稳定不稳定通过成比例的扫描U和V，从而覆盖不同质量的离子分辨率灵敏度Stabilitydiagram稳定不稳定不稳定通过成比例MassspectroscopyH2H2OCO/N2OHOH只考虑单荷离子超高真空下典型的残余气体质谱图MassspectroscopyH2H2OCO/N2OHO超高真空的检漏超高真空的检漏检漏气体的要求Benon-toxictohumans,animalsandtheenvironmentNotdisplaceair,ashazardoussituations,suchassuffocation,couldotherwiseoccurbeinert,i.e.slowtoreact,andshouldneitherreactchemicallynorbeflammableNotbepresentinair,ifpossible.OnlywithagasthatispresentinthesmallestpossibleconcentrationintheambientairisitpossibletodetecteventhesmallestleaksCannotbemistakenforothergasesWithsmallestmassifpossible.最常用的检漏气体：He检漏气体的要求Benon-toxictohumans,检漏方式电离规检漏(10-8Pam3s-1)离子泵检漏(10-12Pam3s-1)卤素检漏(10-7Pam3s-1)质谱检漏(10-14Pam3s-1)检漏方式电离规检漏(10-8Pam3s-1)模式一：Localmode模式一：Localmode模式二：Integralmode模式二：Integralmode方法一：残气成分分析用四极质谱计在1-50amu的质量范围内进行模拟谱扫描，如果N2,O2两种气体的峰高比大约为4:1，而且还存在Ar峰，则系统有漏;对于选择性抽气系统(对惰性气体抽速极小)，如果系统的剩余气体主峰是Ar，而不是N2，则系统有漏；对于超高/极高真空系统，如果N2的谱峰(由于N2和CO的谱峰重叠，必须通过N2的图样系数N来计算N2峰高)高于H2和H2O的谱峰，则系统有漏。对于经过彻底烘烤除气的金属真空装置，依靠空气中的N2-CO分布特性无法识别出漏孔，这是因为通常器壁在很长时间内对O2具有强烈的抽气作用，因此在谱图中看不到O2,，而N2常常被CO所掩盖。这时可通过质量数为14(N)和40(Ar)的谱峰来判断，如果其谱峰很高，则系统有漏。方法一：残气成分分析方法二：示漏气体动态检漏选用氦气作为示漏气体;对真空系统和四极质谱计的探头进行烘烤除气，降低残气成分;用四极质谱计记录真空系统的氦气本底谱;用氦气喷枪对怀疑有漏的各种接头和密封面进行喷气，用适当的方法将接头和密封面包起来，以便形成较高的氦气浓度，持续时间一般为3分钟。用四极质谱计测量氦气离子流，如果离子流相对于本底有突然跃升，则可确定此处有漏孔。方法二：示漏气体动态检漏四极质谱仪检漏的优点对真空系统内主要残余气体进行谱峰扫描即可判断系统有无漏孔。与一般的检漏仪相比，没有“分流”作用，具有较高的灵敏度，更适用于极高真空系统的检漏。四极质谱计可以在毫秒时间量级内扫描，检漏气体离子流信号出现时间短，提高了检漏速度。分辨率高，本底信号小(氦气为检漏气体时)，提高了检漏的可靠性。可长期接在真空系统上实现在线检漏，不影响真空系统的正常运转.与标准漏孔漏率比对，可较为精确的计算出漏孔漏率(相比检漏仪)。通过对四极质谱计校准，可以测量示漏气体在真空容器内的分压力。四极质谱仪检漏的优点小结超高真空基础超高真空的获得超高真空的测量超高真空检漏小结超高真空基础参考文献邱爱叶，邵建中。超高真空技术，浙江大学出版社，1991.G.L.威斯勒，R.W.卡尔森。真空物理和技术，原子能出版社，1990.LMRozanov&Hablanian,MH(2002).Vacuumtechnique.London;NewYork:Taylor&Francis./know-how/container.action/newweb/menu_techinfo.cfm/参考文献邱爱叶，邵建中。超高真空技术，浙江大学出版社，199“There’sPlentyofRoomattheBottom.”

--RichardFeynman,Dec.29th,1959There’sPlentyofRoomontheSurface“There’sPlentyofRoomatthe表面物理考试时间：12月31号18:40-20:40地点：理教106方式：开卷考试表面物理考试11醉翁亭记

1．反复朗读并背诵课文，培养文言语感。

2．结合注释疏通文义，了解文本内容，掌握文本写作思路。

3．把握文章的艺术特色，理解虚词在文中的作用。

4．体会作者的思想感情，理解作者的政治理想。一、导入新课范仲淹因参与改革被贬，于庆历六年写下《岳阳楼记》，寄托自己“先天下之忧而忧，后天下之乐而乐”的政治理想。实际上，这次改革，受到贬谪的除了范仲淹和滕子京之外，还有范仲淹改革的另一位支持者——北宋大文学家、史学家欧阳修。他于庆历五年被贬谪到滁州，也就是今天的安徽省滁州市。也是在此期间，欧阳修在滁州留下了不逊于《岳阳楼记》的千古名篇——《醉翁亭记》。接下来就让我们一起来学习这篇课文吧！【教学提示】结合前文教学，有利于学生把握本文写作背景，进而加深学生对作品含义的理解。二、教学新课目标导学一：认识作者，了解作品背景作者简介：欧阳修(1007—1072)，字永叔，自号醉翁，晚年又号“六一居士”。吉州永丰(今属江西)人，因吉州原属庐陵郡，因此他又以“庐陵欧阳修”自居。谥号文忠，世称欧阳文忠公。北宋政治家、文学家、史学家，与韩愈、柳宗元、王安石、苏洵、苏轼、苏辙、曾巩合称“唐宋八大家”。后人又将其与韩愈、柳宗元和苏轼合称“千古文章四大家”。

关于“醉翁”与“六一居士”：初谪滁山，自号醉翁。既老而衰且病，将退休于颍水之上，则又更号六一居士。客有问曰：“六一何谓也？”居士曰：“吾家藏书一万卷，集录三代以来金石遗文一千卷，有琴一张，有棋一局，而常置酒一壶。”客曰：“是为五一尔，奈何？”居士曰：“以吾一翁，老于此五物之间，岂不为六一乎？”写作背景：宋仁宗庆历五年(1045年)，参知政事范仲淹等人遭谗离职，欧阳修上书替他们分辩，被贬到滁州做了两年知州。到任以后，他内心抑郁，但还能发挥“宽简而不扰”的作风，取得了某些政绩。《醉翁亭记》就是在这个时期写就的。目标导学二：朗读文章，通文顺字1．初读文章，结合工具书梳理文章字词。2．朗读文章，划分文章节奏，标出节奏划分有疑难的语句。节奏划分示例

环滁/皆山也。其/西南诸峰，林壑/尤美，望之/蔚然而深秀者，琅琊也。山行/六七里，渐闻/水声潺潺，而泻出于/两峰之间者，酿泉也。峰回/路转，有亭/翼然临于泉上者，醉翁亭也。作亭者/谁？山之僧/曰/智仙也。名之者/谁？太守/自谓也。太守与客来饮/于此，饮少/辄醉，而/年又最高，故/自号曰/醉翁也。醉翁之意/不在酒，在乎/山水之间也。山水之乐，得之心/而寓之酒也。节奏划分思考“山行/六七里”为什么不能划分为“山/行六七里”？

明确：“山行”意指“沿着山路走”，“山行”是个状中短语，不能将其割裂。“望之/蔚然而深秀者”为什么不能划分为“望之蔚然/而深秀者”？明确：“蔚然而深秀”是两个并列的词，不宜割裂，“望之”是总起词语，故应从其后断句。【教学提示】引导学生在反复朗读的过程中划分朗读节奏，在划分节奏的过程中感知文意。对于部分结构复杂的句子，教师可做适当的讲解引导。目标导学三：结合注释，翻译训练1．学生结合课下注释和工具书自行疏通文义，并画出不解之处。【教学提示】节奏划分与明确文意相辅相成，若能以节奏划分引导学生明确文意最好；若学生理解有限，亦可在解读文意后把握节奏划分。2．以四人小组为单位，组内互助解疑，并尝试用“直译”与“意译”两种方法译读文章。3．教师选择疑难句或值得翻译的句子，请学生用两种翻译方法进行翻译。翻译示例：若夫日出而林霏开，云归而岩穴暝，晦明变化者，山间之朝暮也。野芳发而幽香，佳木秀而繁阴，风霜高洁，水落而石出者，山间之四时也。直译法：那太阳一出来，树林里的雾气散开，云雾聚拢，山谷就显得昏暗了，朝则自暗而明，暮则自明而暗，或暗或明，变化不一，这是山间早晚的景色。野花开放，有一股清幽的香味，好的树木枝叶繁茂，形成浓郁的绿荫。天高气爽，霜色洁白，泉水浅了，石底露出水面，这是山中四季的景色。意译法：太阳升起，山林里雾气开始消散，烟云聚拢，山谷又开始显得昏暗，清晨自暗而明，薄暮又自明而暗，如此暗明变化的，就是山中的朝暮。春天野花绽开并散发出阵阵幽香，夏日佳树繁茂并形成一片浓荫，秋天风高气爽，霜色洁白，冬日水枯而石底上露，如此，就是山中的四季。【教学提示】翻译有直译与意译两种方式，直译锻炼学生用语的准确性，但可能会降低译文的美感；意译可加强译文的美感，培养学生的翻译兴趣，但可能会降低译文的准确性。因此，需两种翻译方式都做必要引导。全文直译内容见《我的积累本》。目标导学四：解读文段，把握文本内容1．赏析第一段，说说本文是如何引出“醉翁亭”的位置的，作者在此运用了怎样的艺术手法。

明确：首先以“环滁皆山也”五字领起，将滁州的地理环境一笔勾出，点出醉翁亭坐落在群山之中，并纵观滁州全貌，鸟瞰群山环抱之景。接着作者将“镜头”全景移向局部，先写“西南诸峰，林壑尤美”，醉翁亭坐落在有最美的林壑的西南诸峰之中，视野集中到最佳处。再写琅琊山“蔚然而深秀”，点山“秀”，照应上文的“美”。又写酿泉，其名字透出了泉与酒的关系，好泉酿好酒，好酒叫人醉。“醉翁亭”的名字便暗中透出，然后引出“醉翁亭”来。作者利用空间变幻的手法，移步换景，由远及近，为我们描绘了一幅幅山水特写。2．第二段主要写了什么？它和第一段有什么联系？明确：第二段利用时间推移，抓住朝暮及四季特点，描绘了对比鲜明的晦明变化图及四季风光图，写出了其中的“乐亦无穷”。第二段是第一段“山水之乐”的具体化。3．第三段同样是写“乐”，但却是写的游人之乐，作者是如何写游人之乐的？明确：“滁人游”，前呼后应，扶老携幼，自由自在，热闹非凡；“太守宴”，溪深鱼肥，泉香酒洌，美味佳肴，应有尽有；“众宾欢”，投壶下棋，觥筹交错，说说笑笑，无拘无束。如此勾画了游人之乐。4．作者为什么要在第三段写游人之乐？明确：写滁人之游，描绘出一幅太平祥和的百姓游乐图。游乐场景映在太守的眼里，便多了一层政治清明的意味。太守在游人之乐中酒酣而醉，此醉是为山水之乐而醉，更是为能与百姓同乐而醉。体现太守与百姓关系融洽，“政通人和”才能有这样的乐。5．第四段主要写了什么？明确：写宴会散、众人归的情景。目标导学五：深入解读，把握作者思想感情思考探究：作者以一个“乐”字贯穿全篇，却有两个句子别出深意，不单单是在写乐，而是另有所指，表达出另外一种情绪，请你找出这两个句子，说说这种情绪是什么。明确：醉翁之意不在酒，在乎山水之间也。醉能同其乐，醒能述以文者，太守也。这种情绪是作者遭贬谪后的抑郁，作者并未在文中袒露胸怀，只含蓄地说：“醉能同其乐，醒能述以文者，太