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《薄膜科学与技术》教学大纲一、课程简介课程名称：薄膜科学与技术 Science and Technology of Thin Films课程类型：专业课（选修）学时：48学分：3开课学期：7开课对象：材料物理专业先修课程：固体物理导论；材料分析测试技术参考教材：1．郑伟涛《薄膜材料与薄膜技术》化学工业出版社2．田民波《薄膜技术与薄膜材料》清华大学出版社3．杨邦朝《薄膜物理与技术》电子科技大学出版社4．唐伟忠《薄膜材料制备原理，技术及应用》冶金工业出版社二、课程性质、目的与任务《薄膜科学与技术》是“材料物理”专业本科生拓展知识面的选修课程，它也适合材料类其它专业学生选修。
学生在已具备一定的固体物理导论、材料分析测试技术等知识的基础上，通过本课程了解薄膜的基本概念、特殊性和重要性；掌握薄膜材料的制备方法、形成过程、表征方法、性质及应用。
薄膜是材料的一种特殊形态。
薄膜科学是现代材料科学中极其重要和发展最为迅速的一个分支，已成为微电子学、光电子学、磁电子学等新兴交义学科的材料基础，成为了构筑高新技术产业的基本要素。
通过对薄膜科学与技术课程的学习，并通过相关资料查询、阅读、专题报告及综合分析与讨论，逐渐使学生掌握薄膜基本概念、特殊性、制备方法、生长理论和研究方法，为今后从事薄膜材料及相关材料领域的研究和工作打下良好的基础。
三、教学基本要求1. 了解和掌握薄膜的定义、分类、特殊性和重要性。
2. 掌握与薄膜制备和研究相关的真空基础知识。
3. 掌握薄膜材料的制备方法及原理。
4. 掌握薄膜的成核和生长理论；5. 掌握薄膜的厚度、结构、成份、原子化学键合、应力、附着力的表征分析方法。
6. 了解薄膜材料的性质及应用。
本课程介绍薄膜的基础知识和研究进展。
重点要求掌握薄膜材料的制备方法及表征技术。
课程较全面地介绍了薄膜材料的各种制备方法、生长过程和表征方法，具有较好的广度和深度。
使学生基本具备相关资料综合分析和整理能力。
《薄膜物理与技术》课程教学大纲课程代码：ABCL0527课程中文名称: 薄膜物理与技术课程英文名称：Thin film physics and technology课程性质：选修课程学分数：1.5课程学时数：24授课对象：新能源材料与器件专业本课程的前导课程：《材料表面与界面》、《近代物理概论》、《材料科学基础》、《固体物理》、《材料物理性能》一、课程简介本课程主要论述薄膜的制造技术与薄膜物理的基础内容。
其中系统介绍了各种成膜技术的基本原理与方法，包括蒸发镀膜、溅射镀膜、离子镀、化学气相沉积、溶液制膜技术以及膜厚的测量与监控等。
同时介绍了薄膜的形成，薄膜的结构与缺陷，薄膜的电学性质、力学性质、半导体特性、磁学性质以及超导性质等。
通过本课程的讲授，使学生在薄膜物理基础部分，懂得薄膜形成物理过程及其特征，薄膜的电磁学、光学、力学、化学等性质。
在薄膜技术部分初步掌握各种成膜技术的基本内容以及薄膜性能的检测。
二、教学基本内容和要求掌握物理、化学气相沉积法制膜技术，了解其它一些成膜技术。
学会对不同需求的薄膜，应选用不同的制膜技术。
了解各种薄膜形成的过程及其物理特性。
理解并能运用热力学界面能理论及原子聚集理论解释薄膜形成过程中的一些现象，了解薄膜结构及分析方法，理解薄膜材料的一些基本特性，为薄膜的应用打下良好的基础。
以下分章节介绍：第一章真空技术基础课程教学内容：真空的基础知识及真空的获得和测量。
课程重点、难点：真空获得的一些手段及常用的测量方法。
课程教学要求：掌握真空、平均自由程的概念，真空各种单位的换算，平均自由程、碰撞频率、碰撞频率的长度分布率的公式，高真空镀膜机的系统结构及抽气的基本过程。
理解蒸汽、理想气体的概念，余弦散射率，真空中气体的来源，机械泵、扩散泵、分子泵以及热偶真空计和电离真空计的工作原理。
了解真空的划分，气体的流动状态的划分，气体分子的速度分布，超高真空泵的工作原理。
第二章真空蒸发镀膜法课程教学内容：真空蒸发原理，蒸发源的蒸发特性及膜厚分布，蒸发源的类型，合金及化合物的蒸发，膜厚和淀积速率的测量与监控。
薄膜物理与技术Physics and Technology of Thin Films课程编号：07370110学分：2学时：30（其中：讲课学时： 30 实验学时：0 上机学时：0）先修课程：大学物理，普通化学适用专业：无机非金属材料工程（光电材料与器件）教材：《薄膜物理与技术》，杨邦朝，王文生主编，电子科技大学出版社，1994年1月第1版开课学院：材料科学与工程学院一．课程的性质与任务薄膜科学是现代材料科学中及其重要且发展非常迅速的一个分支，已成为微电子学、固体发光、光电子学等新兴交叉学科的材料基础，同时薄膜科学研究成果转化为生产力的速度愈来愈快，国内外对从事薄膜研发和生产的人才需求也日益强劲。
本门课程就是为适应学科发展，学生适应市场需求而设置的专业课程。
课程的基本任务是：1、基本掌握各种成膜技术的基本原理和方法；2、了解并初步掌握薄膜的形成、结构与缺陷，薄膜的电学、力学、半导体、磁学等物理性质。
二．课程的基本内容及要求第一章真空技术基础1、教学内容（1）真空的基本知识（2）稀薄气体的基本性质（3）真空的获得及测量2、教学要求理解真空的基本知识和稀薄气体的基本性质，掌握真空的获得、主要手段和真空度策略方法，了解实用真空系统。
第二章真空蒸发镀膜1、教学内容（1）真空蒸发原理（2）蒸发源的蒸发特性及膜厚分布（3）蒸发源的类型（4）合金及化合物的蒸发（5）膜厚和沉积速率的测量与监控2、教学要求掌握真空蒸发原理，掌握真空镀膜的特点和蒸发过程，理解饱和蒸汽压和蒸发源的发射特性，熟练掌握蒸发速率、薄膜厚度的测量和控制，了解蒸发镀膜的常用方法（电阻加热和电子束加热），了解合金膜及化合物摸的蒸镀。
第三章溅射镀膜1、教学内容（1）溅射镀膜的特点和基本原理（2）溅射镀膜的类型2、教学要求掌握溅射镀膜的基本原理和特点，理解表征溅射特性的参量及其影响因素，了解溅射机理及溅射镀膜的各种类型第四章离子镀膜1、教学内容（1）离子镀的原理和特点（2）离子轰击的作用（3）离子镀的类型2、教学要求掌握离子镀的基本原理和特点，理解离子轰击的作用，了解离子镀的类型。
真空作业指导书
第一章：引言
在现代科学与工程领域中，真空技术被广泛应用于各种工艺和实验中。
真空作业是指在恶劣的真空环境下进行的任务和操作。
本指导书旨在为从事真空作业的人员提供必要的指导和建议，以确保他们的安全和工作效率。
第二章：真空的基础知识
2.1 真空的定义和特性
2.2 真空的产生和维持
2.3 真空度的测量方法
2.4 真空泵的分类和选择
第三章：真空系统的搭建与调试
3.1 真空系统的组成与布局
3.2 真空密封件的选择与安装
3.3 真空系统的泄漏检测与排除
3.4 真空系统的泵浦与调试
第四章：真空作业的安全与注意事项
4.1 真空作业的风险评估与控制
4.2 真空作业的个人防护措施
4.3 真空系统的安全操作规程
4.4 真空泄漏事故的应急处理
第五章：真空作业的常见问题与解决方法
5.1 气体释放与吸附问题的处理
5.2 真空度不稳定的原因与解决方案
5.3 泵浦故障与维修方法
5.4 真空系统的常见故障与排除
结语
通过本指导书的学习和实践，相信读者能够掌握真空作业的基本知识和技能，提高工作效率和安全意识。
在进行真空作业时，务必严格遵守相关规定和操作规程，确保自身和他人的安全。
真空技术的不断发展和应用，将为科学研究和工程实践带来更广阔的空间和可能性。
让我们共同努力，推动真空技术的发展与创新。
参考文献：
[1] 真空技术手册. 北京：科学出版社，2018.
[2] 真空技术与应用. 北京：机械工业出版社，2019.
[3] 真空技术导论. 北京：高等教育出版社，2020.。
薄膜材料与薄膜技术答案薄膜材料与薄膜技术(答案)第一章真空技术基础1、膜的定义及分类。
答：当固体或液体的一维线性尺度远远小于它的其他二维尺度时，我们将这样的固体或液体称为膜。
通常，膜可分为两类：（1）厚度大于1mm的膜，称为厚膜；（2）厚度小于1mm的膜，称为薄膜。
2、人类所接触的真空大体上可分为哪两种？答：（1）宇宙空间所存在的真空，称之为“自然真空”；（2）人们用真空泵抽调容器中的气体所获得的真空，称之为“人为真空”。
3、何为真空、绝对真空及相对真空？答：不论哪一种类型上的真空，只要在给定空间内，气体压强低于一个大气压的气体状态，均称之为真空。
完全没有气体的空间状态称为绝对真空。
目前，即使采用最先进的真空制备手段所能达到的最低压强下，每立方厘米体积中仍有几百个气体分子。
因此，平时我们所说的真空均指相对真空状态。
4、毫米汞柱和托？答：“毫米汞柱（mmHg）”是人类使用最早、最广泛的压强单位，它是通过直接度量长度来获得真空的大小。
1958 年，为了纪念托里拆利，用“托（Torr）”，代替了毫米汞柱。
1 托就是指在标准状态下，1 毫米汞柱对单位面积上的压力，表示为1Torr=1mmHg。
5、真空区域是如何划分的？答：为了研究真空和实际使用方便，常常根据各压强范围内不同的物理特点，把真空划分为以下几个区域：（1）粗真空：l´105 ~ l´102 Pa，（2）低真空：l´102 ~ 1´10-1Pa，（3）高真空：l´10-1 ~ 1´10-6Pa和（4）超高真空：< 1´10-6Pa。
6、真空各区域的气体分子运动规律。
答：（1）粗真空下，气态空间近似为大气状态，分子仍以热运动为主，分子之间碰撞十分频繁；（2）低真空是气体分子的流动逐渐从黏滞流状态向分子状态过渡，气体分子间和分子与器壁间的碰撞次数差不多；（3）高真空时，气体分子的流动已为分子流，气体分子与容器壁之间的碰撞为主，而且碰撞次数大大减少，在高真空下蒸发的材料，其粒子将沿直线飞行；（4）在超高真空时，气体的分子数目更少，几乎不存在分子间的碰撞，分子与器壁的碰撞机会也更少了。
第一章真空技术基础本章主要内容：1. 真空的基本知识2. 真空的获得3. 真空的测量4. 稀薄气体的基本性质5. 真空配件、检测1§1-1 气体与真空Air, as a gas, iscomposed of moleculesthat you can imagineas round elastic balls.Molecules move instraight lines untilthey collide withneighboring moleculesor the container wall.THE ATMOSPHERE IS A MIXTURE OF GASESPARTIAL PRESSURES OF GASES CORRESPOND TO THEIR RELATIVE VOLUMESGAS SYMBOL PERCENT BYVOLUMEPARTIAL PRESSURETORR PASCALNitrogen N27859379,000Oxygen O22115821,000Argon Ar0.937.1940Carbon Dioxide CO20.030.2533Neon Ne0.0018 1.4 x 10-2 1.8 Helium He0.0005 4.0 x 10-3 5.3 x 10-1 Krypton Kr0.00018.7 x 10-4 1.1 x 10-1Hydrogen H20.00005 4.0 x 10-4 5.1 x 10-2Xenon Xe0.0000087 6.6 x 10-58.7 x 10-3 Water H2O Variable 5 to 50665 to 6650➢P = F / A=nMv rms2/3N A➢It comes from thestriking of gasmolecules on thewalls.➢Partial PressureVAPOR PRESSURE OF WATER T (O C)100 25 0 -40 -78.5 -196(BOILING)(FREEZING)(DRY ICE)(LIQUID NITROGEN)P (mbar)1013326.40.136.6 x 10 -410 -24Pressures of gasesVapor Pressure of some Solids3.THE VACUUM·定义真空：低于一个大气压的气体状态。
“相对真空”，“绝对真空”?特点：压强(Pressure)低，分子稀薄，分子的平均自由程长。
电学特性输运特性真空的性质可由压强、单位体积分子个数、气体的密度等表示8Relative Pressure Absolute Pressure用“真空度”及“压强”两个参量来衡量真空的程度。
帕斯卡（pascal）=1牛/米2，国际单位制托（Torr）=133.322Pa=1/760atm单位，描述真空的独特单位此外，mmHg、atm、bar等。
The only onewhich is legal94.Pressure unitPressureunit PaBarAtmTorr Pa Bar Atm Torr10.000019.869×10-67.501×10-3 10000019.869×10-17.501×102 101325 1.013251760133.320.001333 1.316×10-315. Why is a Vacuum Needed?1.To move a particle in a (straight) lineover a large distance5. Why is a Vacuum Needed?1. 颗粒可以做直线运动2. 为薄膜生长提供洁净表面Atmosphere (High)VacuumContaminationClean surface (usually water)6. 真空的划分粗真空105－102Pa : 目的是获得压差vacuum cleaner, vacuum-filter，CVD低真空102－10-1Pa:气体分子运动特征改变，电场下具有导电特征vacuum-bottle, vacuum- desiccator, vacuum-impregnation，Sputtering, LPCVD高真空10-1－10-6Pa :Evaperation, Ion source超高真空＜10-6Pa ：Surface analysis，Particle Physics13§1-2 稀薄气体的基本性质1. Ideal gas equation低压状态下，可用理想气体的状态方程（波 义尔定律、盖·吕萨克定律、查理定律）来描 述，遵守麦克斯韦——玻尔兹曼分布。
PV ＝n mol RT=n molecular kT=nMv rms 2/3N A n mol =m/Mn molecular =7.2*1022P/T2. 气体分子的速度分布·麦克斯韦速度分布函数f（v）表示分布在速度v附近单位速度间隔内的分子数占总分子数的比率v＝f(T,M)3. 三个重要速度表示·最可几速度V p：f(v)最大时的速度·平均速度V a·均方根速度V rms4.平均自由程MEAN FREE PATH定义：每个分子在连续两次碰撞之间所运动的平均路程λ = 12πδ 2n其中:n——气体分子密度，标准状态，n≈3*1019δ—分子直径, several angstromn λ =kT 2πδ 2 PPv =n’ RT ⇒ P = nKT·代入理想气体状态方程得 :对于25℃空气λ =0.667 Is λ propotional to T?cmP ( pa )气体分子的密度与平均自由程101325 Pa(atm)0.1 Pa1 x 10-7 Pa# /cm 33 x 10 19(30 million trillion)4 x 10 13 (40 trillion)4 x 10 7 (40 million)MFP2.5 x 10-6 in 6.4 x 10-5 mm2 inches 5.1 cm31 miles 50 km碰撞几率气体分子运动X 的距离以后，彼此间碰撞的几率。
f = 1- e- x / λ★误区：f 与λ成反比。
x= λ,f＝63%x= 0.1λ,f＝9%21Va V a5. 分子通量与余弦散射律（1）分子通量Φ（入射频率ν）：单位时间单 位面积的器壁上碰撞的气体分子数Φ＝ν = 1 n v = 4 （克努森方程）＝3.513×1022P/(MT)0.5（molecules/cm 2s ） When P is in torr.＝2.64×1020P/(MT)0.5（molecules/cm 2s ） When P is in pascal.22P 2π m KT（2）气体分子从固体表面的反射几率dP = dw ⋅ πcos θA.反射几率与入射方向无关，仅按余弦定律散射B.揭示散射的本质是个再发射过程，即气体将停留 在固体表面一小段时间以交换能量（吸附）。
236. 气体的流动粘滞流状态(momentum transfer between molecules)分子流状态(molecules move independently)24气流状态Knudsen number粘滞流状态：Mean Free PathCharacteristic Dimensionis less than 0.01过渡状态:Mean Free PathCharacteristic Dimensionis between 0.01 and 1分子流状态:Mean Free PathCharacteristic Dimensionis greater than 125气源1. 空间气体：很容易被抽走2. 吸附气体：物理吸附化学吸附放气量在中真空阶段与空间气源相当，高真空、超高真空阶段为主要放气源。
真空材料：不锈钢等，忌用陶瓷除气手段：烘烤、离子轰击3. 系统漏气：密封：O形橡胶圈：高真空金属密封圈：超高真空26GAS LOAD渗透除气Leaks 扩散回流Real VirtualGAS LOAD (Q) IS EXPRESSED IN:mbar liters per second2710+110-110-310-510-710-910-11 10110 3 10 510 7 10 9 10 11 10 13 10 15 10 17 28Time (sec)Volume表面解吸扩散渗透P r e s s u r e (m b a r )§1-3 真空的获得·典型的真空系统包括：真空室(Chamber)，真空泵(Vacuum Pump), 控制系统(Control system) ，真空计(Vacuum Gag)·真空系统的两个重要参数：极限真空（本底真空, Base pressure or Ultimate pressure），抽气速率(Pumping speed)29真空泵的工作原理Atmosphere30主要的真空泵·油封机械泵、分子泵、罗茨泵原理：利用机械力压缩·油扩散泵原理：油蒸汽喷射形成压差·溅射离子泵、钛升华泵原理：溅射形成吸气、升华形成吸气·冷凝泵原理：将气体冷凝成液态/冷凝吸附311. 机械泵（旋片式机械泵）转子偏心地置于定子内，旋片上有弹簧，整个部件浸于机械泵油中，油起润滑和密封作用。
旋片转动一周后P = Pv1 0 v+ ⊗v经n个循环后Pn =Pvv + ⊗vn32Pump Mechanism 真空腔Pn 不可能趋于零，因为：A.在出气与转子密封点之间存在着“有害空 间”。
B.单等级泵时进气口与排气口压力差大。
C. 泵油在高温摩擦下，裂解形成轻馏成 份。
D.水蒸汽凝结，形成悬浊液解决办法是采用双级泵，以一个转子空间的出气口作为另 一转子空间的进气口，可使极限真空从1Pa →10-2Pa34 采用高温泵油气镇阀How Two stage rotary pump Workslower ultimate pressure2. Roots--罗茨泵·两个8字形共轭的·机械增压泵转子，转子之间、转子与泵壁之间无油，间隙0.1mm高速转动：可达3000转/分，抽气时无压缩，工作原理：容积泵+分子泵。
Pump/Blower Packages37Blower/Booster Pump3. 扩散泵扩散泵油被加热后沿喷嘴向下喷射，速度可达200m/s，由空气动力学原理与进气口形成压力差，使气体向下扩散而被抽走，油蒸汽水冷后重新利用。
