Đơn vị chung chochân không cực cao
1. Milibar (mbar) là đơn vị đo áp suất không khí, 1000 mbar=1 bar=1 * 105 Pa;
2. Torr xuất phát từ cột thủy ngân milimét (mmHg) trong thí nghiệm Torricelli, với 760 Torr=1 atm;
3. Pa xuất phát từ Hệ thống đơn vị quốc tế (SI), trong đó 1 Pa bằng 1 N/m2;
Lưu ý: Pa là đơn vị phái sinh trong Hệ thống đơn vị quốc tế, không phải là đơn vị cơ bản.
Lưu ý: 1 bar được định nghĩa chặt chẽ là 105 Pa và 1 atm được định nghĩa chặt chẽ là 101325 Pa. Hai đơn vị này thường được coi là thống nhất trong sử dụng thực tế nhưng có định nghĩa khác nhau.
Lưu ý: Trong thực tế sử dụng, do giá trị Torr và mbar tương tự nhau nên chúng thường được coi là tương đương nhau khi không yêu cầu độ chính xác.
Lưu ý: Kilôgam (kg/cm2) thường được sử dụng làm đơn vị đo áp suất trong kỹ thuật, với giá trị gần bằng 105 Pa.
Định nghĩa của chân không siêu cao
1. Chân không cực cao (UHV), thường được định nghĩa là 10-7-10-12 mbar;
2. High vacuum (HV), generally defined as>10-7 mbar;
3. Chân không cực cao (XHV), thường được định nghĩa là<10-12 mbar.
Đặc điểm của chân không siêu cao
Độ sạch cao là lý do cơ bản tại sao phân tích bề mặt đòi hỏi chân không cực cao. Vật lý bề mặt thường nghiên cứu các hiện tượng vật lý của một số lớp nguyên tử trên bề mặt. Do đó, ngay cả trong điều kiện chân không, sự hấp phụ của các phân tử khí trên bề mặt mẫu có thể ảnh hưởng đáng kể đến kết quả thực nghiệm. Chúng ta thường sử dụng 'tuổi thọ' để mô tả thời gian cần thiết để làm sạch bề mặt mẫu và kết quả thực nghiệm bị ảnh hưởng bởi sự nhiễm bẩn. Do khả năng hấp phụ khác nhau của các phân tử khí, nên có sự khác biệt đáng kể về tuổi thọ mẫu giữa các mẫu khác nhau. Ngay cả đối với cùng một mẫu, các thí nghiệm khác nhau sẽ có định nghĩa hoàn toàn khác nhau về tuổi thọ mẫu. Nhìn chung, tuổi thọ của các trạng thái bề mặt ngắn hơn nhiều so với tuổi thọ của các trạng thái cơ thể.
Trong khoa học bề mặt, L (Langmuir) được sử dụng để xác định độ phơi sáng của bề mặt mẫu, trong đó 1 L=10-6 Torr * s. Chúng ta có thể thấy rằng độ phơi sáng của mẫu tỷ lệ nghịch với áp suất không khí. Vì vậy, để cải thiện tuổi thọ của mẫu, chúng ta thường cố gắng tăng độ chân không của hệ thống càng nhiều càng tốt.
Nếu tính toán dựa trên các phân tử N2 ở nhiệt độ phòng, xét đến việc tất cả các phân tử trên bề mặt va chạm đều được hấp phụ, một lớp phân tử sẽ được hấp phụ trên bề mặt mẫu trong 3 giây trong điều kiện chân không là 10-6 Torr. Trong tuyên truyền khoa học phổ thông, chúng ta thường mô tả tầm quan trọng của chân không bằng cách sử dụng 10-6 Torr tương ứng với thời gian phủ lớp đơn 1 giây. Thuật ngữ này khá sinh động và dễ hiểu, nhưng sinh viên tham gia nghiên cứu bề mặt không được sử dụng nó làm cơ sở cho nghiên cứu khoa học.
Giá trị trung bình thống kê của khoảng cách giữa hai va chạm liền kề của mỗi phân tử khí được gọi là đường đi tự do trung bình của phân tử. Kích thước của đường đi tự do trung bình của các phân tử liên quan đến loại, mật độ và vận tốc của các phân tử trong chân không. Ở nhiệt độ phòng, xét đến N2, đường đi tự do trung bình của các phân tử khí tỷ lệ nghịch với áp suất khí: ở áp suất khí quyển (105 Pa), đường đi tự do trung bình là 59 nm và ở 10-7 Pa, đường đi tự do trung bình cao tới 59 km. Dựa trên thông số này, chúng ta có thể ước tính chân không tối thiểu cần thiết cho sự phát triển của quá trình phún xạ magnetron.
Đường đi tự do trung bình của electron là giá trị trung bình thống kê của khoảng cách di chuyển giữa hai lần va chạm liên tiếp của electron và phân tử khí (bỏ qua va chạm giữa các electron). Tham số này chủ yếu được áp dụng cho hệ thống thí nghiệm quang phổ năng lượng quang điện.
Trong điều kiện chân không cực cao, sự đối lưu nhiệt thường bị bỏ qua, thay vào đó, bức xạ nhiệt và dẫn nhiệt chủ yếu được xem xét.Hệ thống nhiệt độ thấp(Heli lỏng, Nitơ lỏng) chủ yếu xem xét việc ngăn chặn sự truyền nhiệt bên ngoài. Đối với các hệ thống sử dụng nitơ lỏng, dẫn nhiệt là nguồn nhiệt chính; Đối với các hệ thống sử dụng heli lỏng, bức xạ nhiệt bên ngoài không thể bỏ qua và cần đặc biệt chú ý khi thiết kế hệ thống. Các hệ thống nhiệt độ cao cần xem xét sự gia tăng nhiệt độ vật liệu và giải phóng khí do bức xạ nhiệt tạo ra khi làm nóng dây tóc. Dẫn nhiệt ở nhiệt độ cao chủ yếu ảnh hưởng đến phép đo nhiệt độ của cặp nhiệt điện. Ngoài ra, bức xạ nhiệt do chính vật liệu tạo ra sau khi được làm nóng đến nhiệt độ cao hơn không thể bỏ qua.
Lĩnh vực ứng dụng của chân không siêu cao
Lĩnh vực ứng dụng của chân không cực cao rất rộng lớn và ở đây chúng tôi liệt kê một số lĩnh vực có liên quan chặt chẽ nhất đến nghiên cứu vật lý bề mặt,bao gồm cả phun magnetron, lắng đọng xung laser, epitaxy chùm phân tử, phân tích bề mặt, Và máy gia tốc hạt.
Công nghệ chân không cực cao được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực epitaxy chùm phân tử và phân tích bề mặt, và nhiều loại thiết bị epitaxy chùm phân tử, quang phổ quang điện tử, kính hiển vi quét đường hầm và các hệ thống đặc tính chuẩn bị khác hoạt động trong phạm vi này. Do thực tế là các hệ thống chân không thường chiếm một tỷ lệ đáng kể trong chi phí xây dựng hệ thống, nên cách chọn bộ bơm phù hợp và nhanh chóng đạt được độ chân không tốt nhất có thể thông qua các phương tiện thích hợp là một vấn đề phổ biến gây rắc rối cho các lĩnh vực liên quan.
Máy gia tốc hạt có các yêu cầu nghiêm ngặt nhất về chân không, nhưng do tổng chi phí hệ thống cao nên đơn vị bơm chân khôngkhông phải là thành phần chính của chi phí. Nhìn chung, máy bơm chân không tốt hơn được cấu hình càng nhiều càng tốt. Ngoài ra, thường không có nguồn ô nhiễm nào trong buồng tăng tốc và độ chân không thường đạt đến phạm vi chân không rất cao.
Quá trình phun magnetron tạo ra ô nhiễm đáng kể trong quá trình bay hơi do các vấn đề về cơ chế và thường không đạt được mức chân không cao.Đơn vị bơm phân tửnói chung là đủ để đáp ứng các điều kiện sử dụng. Trong những năm gần đây, với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ và sự phát triển hơn nữa của nhu cầu nghiên cứu, mức độ chân không của hệ thống phun magnetron đã liên tục được cải thiện và các công nghệ liên quan đến chân không cực cao cũng liên tục gia nhập lĩnh vực này.
Trước đây, nhu cầu về độ chân không trong công nghệ lắng đọng xung laser (PLD) nằm giữa epitaxy chùm phân tử và phún xạ magnetron. Trong những năm gần đây, do sự tích hợp dần dần với công nghệ epitaxy chùm phân tử (MBE), nhu cầu về độ chân không cũng liên tục tăng lên. Epitaxy chùm phân tử laser (LMBE) là công nghệ chân không cực cao kết hợp MBE vào PLD.
