Kỹ thuật màng mỏng-Vật lý: Phần 2

Tiếp nội dung phần 1, cuốn sách Vật lý và kỹ thuật màng mỏng phần 2 cung cấp cho người đọc những kiến thức như: Lý thuyết bốc bay chân không; Chế tạo màng mỏng bằng kỹ thuật chân không; Phương pháp phún xạ; Các phương pháp phân tích đặc trưng màng mỏng. Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Kỹ thuật màng mỏng-Vật lý: Phần 2 Vật lý và kỹ thuật màng mỏng 113 Chương 5 Lý thuyết bốc bay chân không Sử dụng thuyết động học chất khí để giải thích hiện t ượng bốc bay cho phép hình thành lý thuyết bốc bay chân không. Một trong những khái niệm quan trọng trong lý thuyết này là tốc độ bốc bay. Những người đầu tiên đã đánh giá một cách bán định lượng tốc độ bốc bay là Hertz, Knudsen và Langmuir, họ nêu ra định nghĩa về tốc độ bốc bay như sau: tốc độ bốc bay là lượng vật chất mà một vật ở trạng thái rắn chuyển sang trạng thái h ơi trong đơn vị thời gian (1giây). Lý thuyết bốc bay đề cập đến các phần chính l à động học phản ứng, nhiệt động học và vật lý chất rắn. Các vấn đề liên quan đến hướng chuyển động của phân tử (nguyên tử) bốc bay được giải thích thông qua lý thuyết về xác suất của các hiệu ứng trong động học chất khí v à lý thuyết hấp phụ. 5.1. Tốc độ bốc bay 5.1.1. Phương trình Hertz-Knudsen Thí nghiệm đầu tiên để xác định tốc độ bốc bay trong chân không đ ược Hertz tiến hành vào năm 1882. Ông đã chưng cất thủy ngân và xác định độ tổn hao trọng lượng, đồng thời đo áp suất h ơi trên bề mặt bốc bay. Ông nhận thấy tốc độ bốc bay bị giới hạn một khi không cung cấp đủ nhiệt độ trên bề mặt. Trong nhiều thí nghiệm, ông đ ã phát hiện tốc độ bốc bay của thủy ngân luôn tỷ lệ thuận với độ chênh lệch giữa áp suất cân bằng nhiệt ( Pe q ) tại nhiệt độ bề mặt và áp suất hơi ( P ) trên chính bề mặt ấy. Từ các thực nghiệm của mình, Hertz đã kết luận: các chất lỏng kể cả các chất nóng chảy có khả năng đặc biệt là bốc bay, hơn nữa tốc độ bốc bay của một chất lỏng tại nhiệt độ bốc bay không thể v ượt quá giá trị tối đa nhất định . Mặc dù nhiệt vẫn được cung cấp không giới hạn. Hơn nữa, tốc độ tối thiểu, về lý thuyết, chỉ có thể đạt được trong trường hợp mà từ bề mặt một lượng phân tử bốc bay đủ để tạo ra áp suất cân bằng P e q trên bề mặt đó, và với điều kiện không có phân tử nào trong số đó quay ngược lại bề mặt bốc bay. Điều 114 Vật lý và kỹ thuật màng mỏng này có nghĩa là cần phải tạo ra điều kiện lý t ưởng để áp suất hơi P dần về 0. Trên cơ sở lý thuyết và thực nghiệm như trên, có thể nhận thấy số phân tử dN e bốc bay từ một đơn vị diện tích của bề mặt Ae trong một đơn vị thời gian bằng hiệu số giữa số phân tử va chạm với bề mặt ấy trong một đ ơn vị thời gian (1s) tại áp suất Peq và số phân tử của pha hơi quay ngược lại tại áp suất hơi P : dN - - e 1/ 2 2 1 2 mkT P P , với đơn vị tính là cm s . (5.1) A dt eq e Hertz là người đầu tiên đưa ra phương trình trên. Giá trị của tốc độ bốc bay xác định từ thực nghiệm có sai số h ơn 10%. Để giải thích nguyên nhân của hiện tượng này Knudsen cho rằng có những phân tử khi va chạm với bề mặt hóa hơi đã quay ngược trở lại (pha rắn) mà không hòa nhập vào pha lỏng. Do đó, có một phần các phân tử mà chúng đã đóng góp vào áp suất hơi (của vật chất bị hóa hơi), nhưng lại không tham gia vào nhóm các phân tử chuyển từ pha lỏng sang pha hơi. Do đó trong công thức (5.1), vế phải cần được bổ sung hệ số v. Hệ số này xác định tỷ số giữa tốc độ bốc bay trong chân không nhận được trên thực tế và tốc độ tính toán bằng lý thuyết dựa trên công thức này. Vì thế, phương trình mô tả tốc độ bốc bay có dạng chính xác hơn là: dN e 2 .mkT 1/ 2 P P . A dt v eq e Phương trình này được gọi là phương trình Hertz-Knudsen. Trong thí nghiệm quan sát thủy ngân bốc bay, Knudsen cũng đ ã phát hiện rằng độ lớn của hệ số bốc bay phụ thuộc rất mạnh v ào độ sạch của bề mặt thủy ngân. Trong trường hợp bề mặt chất bốc bay luôn đ ược giữ sạch tinh khiết (không có tạp chất của pha hơi) thì dòng phân tử ngược có thể coi bằng 0, do đó chúng ta nhận được tốc độ bốc bay lớn nhất, nh ư sau: dN e 1 /2 2 mkT Peq . (5.2) A edt 5.1.2. Bốc bay tự do - sự thoát phân tử Langmuir là người đầu tiên chứng tỏ phương trình Hertz-Knudsen áp dụng có hiệu quả cho trường hợp các phân tử bốc bay từ mặt phẳng tự do của vật Vật lý và kỹ thuật màng mỏng 115 rắn. ông thực hiện thí nghiệm trong đó sợi dây volfram đ ược bốc bay trong bình thủy tinh hút chân không. Ông phát hiện ra rằng, d ưới áp suất thấp hơn 1 Torr, tốc độ bốc bay của volfram đạt được giá trị đúng bằng giá trị nhận được trong trường hợp bề mặt bốc bay nằm trong trạng thái cân bằng với pha hơi của volfram. Trong quá trình bốc bay từ trạng thái rắn đã không quan sát thấy hiện tượng ngưng tụ ngược lại của các phân tử h ơi như trong quá trình bốc bay từ pha lỏng. Vì vậy, ông đã nhận được giá trị của tốc độ bốc bay hoàn toàn trùng với kết quả tính toán từ ph ương trình (5.2). Khi biết độ tổn hao trọng lượng của dây volfram có thể tính ra tốc độ bốc bay, v à từ đó, xác định được áp suất của hơi volfram trong quá trình bốc bay tại nhiệt độ hóa hơi. Dễ nhận thấy rằng, độ tổn hao trọng l ượng của dây volfram trong khoảng thời gian bốc bay dt chính là tốc độ bốc bay tính theo khối lượng. Tốc độ này bằng tích của dòng phân tử hóa hơi (tức là tần suất va chạm) và khối lượng của phân tử. Do vậy, chúng ta có ph ương trình biểu thị tốc độ bốc bay theo khối l ượng phụ thuộc vào áp suất như sau: 1 /2 d Ne m m z m Peq . (5.3) A e dt 2 kT Nếu đơn vị áp suất tính theo Torr, chúng ...