《近代物理实验报告》由会员分享，可在线阅读，更多相关《近代物理实验报告（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1近代物理实验报告实验题目： 1 真空获得与真空测量 2 热蒸发法制备金属薄膜材料 3 磁控溅射法制备金属薄膜材料 班 级： 学 号： 学生姓名： 实验教师： 2010-2011 学年第 1 学期2实验 1 真空获得与真空测量实验时间： 地点： 指导学生： 【摘要】本实验采用 JCP-350C 型热蒸发/ 磁控溅射真空镀膜机，初步了解真空获得与测量的方法，熟悉使用镀膜机的机械 泵和油扩散泵，能用 测量真空的 热偶真空计和电离真空计等实验仪器，掌握真空的获得和测 量方法。【关键词】镀膜机；机械泵；扩散泵；真空获得和测量一、实验目的1.1、学习并了解真空科学基础知识，学会掌握低、高真空获得和测量的
2、原理及方法；1.2、熟悉实验设备和仪器的使用。二、实验仪器JCP-350C 型热蒸发/磁控溅射真空镀膜机。三、真空简介3.1 真空“真空”这一术语译自拉丁文 Vacuo，其意义是虚无。其实真空应理解为气体较稀薄的空间。在指定的空间内，低于一个大气压力的气体状态统称为真空。3.2 真空的等级真空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值表示。1958 年，第一界国际技术会议曾建议采用“ 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)。我国采用 SI 规定。 1 标准大气压(1atm)1.01310 5Pa(帕) 1Torr1/760atm1mmHg 1T
3、orr133Pa 我国真空区域划分为：粗真空、低真空、高真空、超高真空和极高真空。 粗真空 Pa3510103 低真空 高真空 6 超高真空 106 极高真空 103.3 获得真空的意义获得真空不仅在科研、教学、工业以及人类生活中应用起到很大的作用，而且给人类的整个社会文明的进步、财富创造以及科技创新都具有重大的意义。3.4 真空技术的应用随着真空获得技术的发展，真空科学的应用领域很广，目前已经渗透到车辆、土木工3程呢、机械、包装、环境保护、医药及医疗机械、石油、化工、食品、光学、电气、电子、原子能、半导体、航空航天、低温、专用器械、纺织、造纸、农业以及民用工业等工业部门和科学研究工作中，因此
4、真空技术在现实生活各种领域中都得到广泛的应用。四、实验原理4.1 真空的获得4.1.1 低真空的获得:获得低真空常采用机械泵，结构如图 1-1 机械泵是运用机械方法不断地改变泵内吸气空腔的体积，使被抽容器内气体的体积不断膨胀，从而获得真空的装置。它可以直接在大气压下开始工作，极限真空度一般为 1.331.3310-2Pa，抽气速率与转速及空腔体积 V 的大小有关，一般在每秒几升到每秒几十升之间。 旋片式机械泵通常由转子、定子、旋片等结构构成。偏心转子置于定子的圆柱形空腔内切位置上，空腔上连接进气管和出气阀门。转子中镶有两块旋片，旋片间用弹簧连接，使旋片紧压在定子空腔的内壁上。转子的转动是由马达
5、带动的，定子置于油箱中，油起到密切、润滑与冷却的作用。机械泵工作过程如图 1-2。当转子顺时针转动时，空气由被抽容器通过进气管被吸入，旋片随着转子的转动使与进气管相连的区域不断扩大，而气体就不断地被吸入。当转子达到一定位置时，另一旋片把被吸入气体的区域与被抽容器隔开，并将气体压缩，直到压强增大到可以顶开出气口的活塞阀门而被排出泵外，转子的不断转动使气体不断地从被抽容器中抽出。4.1.2 高真空的获得获得真空用真空泵。真空泵按工作条件的不同分为两类：能够在大气压下工作的真空泵称为初级泵（机器泵） ，用来产生预备真空，需要在预备条件下才能工作的真空泵称为次级泵（扩散泵） ，次级泵用来进一步提高真空
6、度，获得高真空。目前，广泛使用的获得高真空的泵就是扩散泵。扩散泵是利用气体扩散现象来抽气的，它不能直接在大气压下工作，而需要一定的预备真空度（1.330.133Pa） 。油扩散泵的极限真空度主要取决于油蒸汽压和气体分子的反扩散，一般能达到1.3310-51.3310-7Pa。抽气速率与结构有关，每秒几升几百升不等，油扩散泵的结构如示意图 1-3。 泵的底部是装有真空泵油的蒸发器，真空泵油经电炉加热沸腾后，产生一定的油蒸汽，蒸汽沿着蒸汽导流管传输图 1-3 扩散泵结构图图 1-1 机械泵结构图图 1-2 机械泵工作原理图4到上部，经由三级伞形喷口向下喷出。喷口外面的压强较油蒸汽压低，于是便形成一
7、股向出口方向运动的高速蒸汽流，使之具有很好的运载气体分子的能力。油分子与气体分子碰撞，由于油分子的分子量大，碰撞的结果是油分子把动量交给气体分子自己慢下来，而气体分子获得向下运动的动量后便迅速往下飞去并且，在射流的界面内，气体分子不可能长期滞留，因而界面内气体分子浓度较小由于这个浓度差，使被抽气体分得以源源不断地扩散进入蒸汽流而被逐级带至出口，并被前级泵抽走慢下来的蒸汽流在向下运动的过程中碰到水冷的泵壁，油分子就被冷凝下来，沿着泵壁流回蒸发器继续循环使用冷阱的作用是减少油蒸汽分子进入被抽容器。4.2 真空的测量测量真空的装置称为真空计，常用的油热耦真空计和电离真空计。热耦真空计可以测量 0.1
8、10Pa 的压强，利用低压下气体的热传导与压强成正比的原理；电离真空计利用电子与气体分子碰撞产生电离电流随压强变化的原理制成，可测量范围是 10 的61 数量级。注意，电离真空计必须在 0.1Pa 以下使用，否则会损坏装置。五、真空镀膜机部分结构5.1 真空获得和测量设备JCP-350 磁控溅射镀膜机（ 2inch 基片/多靶共溅射） 、JCP-1200/1600 高真空磁控溅射镀膜机、TEMD-600/1000 电子束蒸发镀膜机（蒸发高熔点金属及氧化物/高速沉积/光学镀膜）等。5.2 真空泵简介5.2.1 机械泵机械泵通过不断改变泵内吸气空腔的容积，使被抽容器内气体的体积不断膨胀压从而获得真
9、空，常用的是旋片式机械泵。旋片式机械泵原理见下附图 2。旋片式机械泵使用注意：（1） 、检查油槽中油液面的高度是否符合规定，机械泵转子的转动方向与规定方向是否一致；（2） 、机械泵停止工作时，要立即使进气口与大气相通，防止回油现象。这步由机械泵5上的电磁阀自动进行。（3） 、机械泵不宜工作过长，否则会影响使用寿命。5.2.2 扩散泵扩散泵利用气体扩散现象来抽气的。利用高速定向喷射的油分子在喷嘴出口处的蒸汽流中形成一低压，将扩散进入蒸汽流的气体分子带至泵口被前级泵抽走。扩散泵使用注意：启动压强低于 1Pa，保证绝大部分的气体分子以定向扩散形式进入高速蒸汽流，高压会导致一些副反应的发生，影响真空的
10、形成。扩散泵一般能达到5 到7 的压强数量级。5.3 热偶规、电离规的原理和结构真空度的测量可通过复合真空计来进行。复合真空计可分为热电偶真空计和电离真空计两种，结构如图 1-4 和 1-5。图 1-4 电离真空计结构图：A.筒状阳极，F. 阴极，G.栅极B.接被测真空系统图 1-5 热偶真空计结构图:1mv 表，2.mA 表，3.加热丝，4.热偶，5.热丝电源，6.电位器，7.开关，8.接真空系统。5.3.1 热偶规原理和结构热偶真空计是用在低气压下气体的热导率与气体压强间有依赖关系制成的。它通常用来测量低真空，可测范围为 13.330.1333Pa。其中有一根细金属丝（铂丝或钨丝）以恒定功
11、率加热，则丝的温度取决于输入功率与散热的平衡关系，而散热取决于气体的热导率。管内压强越低，即气体分子越稀薄，气体碰撞灯丝带走的热量就越少，则丝温越高，从而热偶丝产生的电动势越大。经过校准定标后，就可以通过测量热偶丝的电动势来指示真空度了。5.3.2 电离规的原理和结构电离真空计是根据气体分子与电子相互碰撞产生电离的原理制成的。它用来测量高真空度，可测范围为 0.1331.3310-6Pa。实验表明，在压强 P10-1Pa 时，有下列关系成立: I+/Ie=K P，其中 Ie 为栅极电流，P 为气体压强，I+为灯丝发出电子与气体分子碰撞后使气体分子电离产生正离子而被板极收集形成的离子电流。K 为
12、比例常数。可见，Ie 不变，经过用绝对真空计进行校准，I+的值就可以指示真空度了。注意，只有在真空度达到 10-1Pa 以上时，才可以打开电离规管灯丝。否则，将造成规管损坏。6六、真空获得过程气路原理七、实验步骤7.1 实验仪器本实验采用 JCP-350C 型热蒸发/ 磁控溅射真空镀膜机(如图 1-6)进行抽真空实验及镀膜实验。设备由真空系统、镀膜室、磁控溅射靶、蒸发电极、旋转基片台、工作气体供给、水冷系统、控制等部分组成，主要应用于沉积金属膜、介质膜及半导体膜。7.2 实验过程实验前，先检查一切准备工作都做好（钟罩、放气阀关好、水打开且流量足够） 。7.2.1 检查是否有水；7.2.2 开总
13、开关开启仪器电源开真空计（等仪表稳定开工作室）开机械泵、旁路阀等右窗口降至5.0Pa 开扩散泵（开始计时）前级阀（与旁路阀换抽气）（45min 后）开主阀（之前要开前级阀）直到左真空计降至 510 的-3 次方左右为止，即得到真空；7.2.3 关主阀（要长按）关前级阀，旁路阀，继续抽气（5min）把空气放入真空罩1 小时后关水设备冷却后关机；7.2.4 做完实验后，真理好仪器，关好实验室门窗。八、实验结果通过实验和技术要求，可以对工作室的压强抽到3 级数，并成功地获得真空和测量。九、心得体会通过实验，使我更进一步了解了真空技术的基本知识；掌握用 JCP-350 镀膜机获得真空和真空测量的原理和
14、方法。从中熟悉了 JCP-350 镀膜机中有关仪器的结构及功能、操作图 1-6 JCP-350 镀膜机外观图7程序与注意事项。评阅意见：评阅教师 日期8实验 2 利用电阻蒸发法镀金属薄膜实验时间： 地点： 指导学生： 【摘要】本实验采用 JCP-350C 型热蒸发/ 磁控溅射真空镀膜机 的机械泵和油扩散泵获得真空，并掌握利用电阻蒸发法镀金属薄膜的操作，从而熟悉 获得真空和 镀膜的操作过程。【关键词】 镀膜机；机械泵；油散泵；电阻蒸发法；金属薄膜。一、实验目的1.1 初步认识纳米科学，并了解真空技术的基本知识；1.2 熟悉有关设备和仪器的使用，了解真空镀膜的基本知识；1.3 了解 “真空”对纳米
15、材料的制备的重要性，了解常见的纳米薄膜材料的物理制备方法；1.4 掌握蒸发镀膜的基本原理和最基本的纳米薄膜材料的制备方法热蒸发法。二、实验仪器JCP-350C 型热蒸发/磁控溅射真空镀膜机。三、实验原理3.1 纳米薄膜材料制备的方法一些光学零件的光学表面需要用物理方法或化学方法镀上一层或多层薄膜，使得光线经过该表面的反射光特性或透射光持性发生变化，许多机械加工所采用的刀具表面也需要沉积一层致密的、结合牢固的超硬镀层而使其得以硬化，延长其使用寿命，改善被加工部件的精度和光洁度。3.1.1 物理方法目前，作为物理镀膜方法的真空镀膜，尤其是纳米级超薄膜制作技术，己广泛地应用在电真空、无线电、光学、原子能、空间技术等领域及我们的生活中。真空镀膜实质上是在高真空状态下利用物理方法在镀件的表面镀上一层薄膜的技术，它是一种物理现象。真空镀膜按其方式不同可分为真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜和现代发展起来的离子镀膜。这里只介绍真空蒸发镀膜技术
