واحدهای مشترک برایخلاء فوق العاده بالا
1. میلی بار (mbar) واحدهای فشار هوا هستند، 1000 mbar=1 bar=1 * 105 Pa;
2. Torr از ستون جیوه میلی متری (mmHg) در آزمایش Torricelli، با 760 Torr=1 atm می آید.
3. Pa از سیستم بین المللی واحدها (SI) می آید، که در آن 1 Pa برابر 1 N/m2 است.
توجه: Pa واحد مشتق شده در سیستم بین المللی واحدها است، نه واحد پایه.
توجه: 1 bar به طور دقیق به عنوان 105 Pa تعریف شده است، و 1 اتمسفر به طور دقیق به عنوان 101325 Pa تعریف شده است. این دو به طور کلی در استفاده عملی سازگار در نظر گرفته می شوند، اما تعاریف متفاوتی دارند.
نکته: در استفاده عملی، به دلیل مشابه بودن مقادیر Torr و mbar، معمولاً در مواقعی که دقت لازم نیست، معادل در نظر گرفته می شوند.
نکته: کیلوگرم (kg/cm2) اغلب به عنوان واحد فشار در مهندسی با مقدار نزدیک به 105 Pa استفاده می شود.
تعریف خلاء فوق العاده بالا
1. خلاء فوق العاده بالا (UHV)، که معمولاً به صورت 10-7-10-12 mbar تعریف می شود.
2. High vacuum (HV), generally defined as>٪7b٪7b0٪7d٪7d mbar٪3b
3. خلاء بسیار زیاد (XHV)، که به طور کلی به عنوان تعریف می شود<10-12 mbar.
ویژگی های خلاء فوق العاده بالا
تمیزی بالا دلیل اساسی برای تجزیه و تحلیل سطح به خلاء فوق العاده بالا است. فیزیک سطح اغلب پدیده های فیزیکی چندین لایه اتمی روی سطح را مطالعه می کند. بنابراین، حتی در شرایط خلاء، جذب مولکول های گاز در سطح نمونه می تواند به طور قابل توجهی بر نتایج تجربی تأثیر بگذارد. ما اغلب از "طول عمر" برای توصیف مدت زمانی که طول می کشد تا سطح نمونه تمیز شود و نتایج تجربی تحت تاثیر آلودگی قرار بگیرند استفاده می کنیم. با توجه به توانایی های جذب متفاوت مولکول های گاز، تفاوت های قابل توجهی در طول عمر نمونه در بین نمونه های مختلف وجود دارد. حتی برای یک نمونه، آزمایش های مختلف تعاریف کاملاً متفاوتی از طول عمر نمونه خواهند داشت. به طور کلی، طول عمر حالت های سطحی بسیار کوتاه تر از حالت های بدن است.
در علوم سطح، از L (Langmuir) برای تعریف نوردهی سطح نمونه استفاده میشود، جایی که 1 L=10-6 Torr * s. می بینیم که نوردهی نمونه با فشار هوا نسبت معکوس دارد. بنابراین، برای بهبود طول عمر نمونه، اغلب سعی می کنیم درجه خلاء سیستم را تا حد امکان افزایش دهیم.
اگر بر اساس مولکول های N2 در دمای اتاق محاسبه شود، با توجه به اینکه همه مولکول های سطح برخورد جذب می شوند، لایه ای از مولکول ها در شرایط خلاء 10-6 Torr در مدت 3 ثانیه بر روی سطح نمونه جذب می شود. در تبلیغات علمی رایج، ما اغلب اهمیت خلاء را با استفاده از 10-6 Torr مربوط به زمان پوشش تک لایه 1 ثانیه توصیف میکنیم. این اصطلاح کاملا واضح و قابل درک است، اما دانشجویانی که در تحقیقات سطحی مشغول به کار هستند نباید از آن به عنوان مبنایی برای تحقیقات علمی استفاده کنند.
میانگین آماری فاصله بین دو برخورد مجاور هر مولکول گاز را میانگین مسیر آزاد مولکول می گویند. اندازه متوسط مسیر آزاد مولکول ها به نوع، چگالی و سرعت مولکول ها در خلاء مربوط می شود. در دمای اتاق، با در نظر گرفتن N2، میانگین مسیر آزاد مولکول های گاز با فشار گاز نسبت معکوس دارد: در فشار اتمسفر (105 Pa)، میانگین مسیر آزاد 59 نانومتر و در 10-7 Pa، مسیر آزاد متوسط است. ارتفاع آن به 59 کیلومتر می رسد. بر اساس این پارامتر، ما می توانیم حداقل خلاء مورد نیاز برای رشد کندوپاش مگنترون را تخمین بزنیم.
میانگین مسیر آزاد الکترون ها به میانگین آماری مسافت طی شده بین دو برخورد متوالی الکترون ها و مولکول های گاز (بدون توجه به برخورد بین الکترون ها) اشاره دارد. این پارامتر عمدتاً برای سیستم آزمایشی طیف انرژی فوتوالکتریک اعمال می شود.
در شرایط خلاء فوق العاده بالا، جابجایی حرارتی به طور کلی نادیده گرفته می شود و تابش و هدایت حرارتی عمدتاً در نظر گرفته می شود.سیستم های دمای پایین(هلیوم مایع، نیتروژن مایع) عمدتاً جلوگیری از انتقال گرمای خارجی را در نظر می گیرند. برای سیستم هایی که از نیتروژن مایع استفاده می کنند، هدایت گرما منبع اصلی گرما است. برای سیستم هایی که از هلیوم مایع استفاده می کنند، تابش حرارتی خارجی را نمی توان نادیده گرفت و هنگام طراحی سیستم باید توجه ویژه ای داشت. سیستم های با دمای بالا باید افزایش دمای مواد و انتشار گاز ناشی از تابش حرارتی تولید شده توسط گرم کردن رشته را در نظر بگیرند. هدایت گرما در دماهای بالا عمدتاً بر اندازه گیری دمای ترموکوپل ها تأثیر می گذارد. علاوه بر این، تابش حرارتی تولید شده توسط خود ماده پس از گرم شدن تا دمای بالاتر را نمی توان نادیده گرفت.
زمینه کاربرد خلاء فوق العاده بالا
زمینه کاربرد خلاء فوقالعاده بسیار گسترده است، و در اینجا چندین مورد را فهرست میکنیم که بیشترین ارتباط را با تحقیقات فیزیک سطح دارند.از جمله کندوپاش مگنترون, رسوب پالس لیزری, اپیتاکسی پرتو مولکولی, تجزیه و تحلیل سطح، و شتاب دهنده های ذرات.
فناوری خلاء فوق العاده بالا به طور گسترده در زمینه های اپیتاکسی پرتو مولکولی و تجزیه و تحلیل سطح استفاده می شود و انواع مختلف تجهیزات اپیتاکسی پرتو مولکولی، طیف سنجی فوتوالکترون، میکروسکوپ تونل روبشی، و سایر سیستم های شناسایی آماده سازی در این محدوده کار می کنند. با توجه به اینکه سیستم های خلاء اغلب بخش قابل توجهی از هزینه های ساخت سیستم را به خود اختصاص می دهند، نحوه انتخاب مجموعه پمپ مناسب و به دست آوردن سریع بهترین درجه خلاء ممکن از طریق مناسب مشکل رایجی است که زمینه های مرتبط را با مشکل مواجه می کند.
شتاب دهنده های ذرات سختگیرانه ترین الزامات را برای خلاء دارند، اما به دلیل هزینه کلی سیستم بالا، واحد پمپ خلاءجزء اصلی هزینه نیست. به طور کلی، پمپ های خلاء بهتر تا حد امکان پیکربندی می شوند. علاوه بر این، به طور کلی هیچ منبع آلودگی در محفظه شتاب دهنده وجود ندارد و درجه خلاء معمولاً به محدوده خلاء بسیار بالایی می رسد.
کندوپاش مگنترونی به دلیل مسائل مربوط به مکانیسم، آلودگی قابل توجهی را در طول فرآیند تبخیر ایجاد می کند و معمولاً سطوح خلاء بالایی را دنبال نمی کند.واحدهای پمپ مولکولیبه طور کلی برای برآوردن شرایط استفاده کافی هستند. در سالهای اخیر، با پیشرفت مداوم فناوری و توسعه بیشتر نیازهای تحقیقاتی، درجه خلاء سیستمهای کندوپاش مگنترون به طور مداوم بهبود یافته است و فناوریهای مرتبط با خلاء فوقالعاده نیز دائماً وارد این حوزه میشوند.
در گذشته، تقاضا برای درجه خلاء در فناوری رسوب پالس لیزری (PLD) بین اپیتاکسی پرتو مولکولی و کندوپاش مگنترون بود. در سال های اخیر، به دلیل ادغام تدریجی با فناوری اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE)، نیاز به درجه خلاء نیز به طور مداوم در حال افزایش بوده است. اپیتاکسی پرتو مولکولی لیزر (LMBE) یک فناوری خلاء فوق العاده بالا است که MBE را در PLD ادغام می کند.
