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薄膜材料与技术
Thin Film Materials & Technologies
1 真空技术基础
1.1 真空的基本知识
回顾：中学物理内容
1643年 托里切利 (Torricelli) 著名的大气压实验 为人类首次揭示了 真空 这个 物理状态 的存在！ ■ 管内水银柱上方空间内，因已排除空气的存在 而形成 真空 （托里切利真空） ■ 右图中 A、B、C 三点压力相等，其中： A、C点：环境气体产生的大气压；B点：水银柱产生的流体压力 ■ 换句话说，由于液柱形成的压力与环境气压互相平衡， 可以用 水银柱产生的压力 作为 大气压 的量度 ！ 把高度为760 mm的水银柱所产生的压力定义为1个大气压 (1 atm） 1 atm = 760 mmHg（Torr，托）
教学要求和考核方式：
1、不缺课，杜绝迟到，认真听讲，独立思考； 2、要复习并独立完成作业，作业要评分； 3、开卷考试，考核成绩 ＝ 作业（10%）+ 课堂（10%）+ 考试（80%）。
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结果：得到了“真空”的定义、大气压的定义以及 量度 依据 ！
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1 真空技术基础
1.1 真空的基本知识
概念：利用外力将 一定密闭空间内 的气体分子移走，
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1 真空技术基础
1.1 真空的基本知识
1.1.2 真空区域的划分
真空区域：指不同的真空度范围；
划分目的：为了研究真空和实际应用的便利； 划分依据：按照各个压强范围内气体运动特征的不同进行划分； 划分准则：理论上，可依据Knudsen数的不同进行划分。
思考题：常温常压下，每 cm3 空间内有多少个气体分子？
提示：可由Avogadro常数推算： (6.02×1023个/22.4×103 cm3 2.7×1019 个/cm3)
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第 4 章 薄膜的形成与生长（6 学时）
薄膜形核、生长、形成理论；典型生长机制及对应结构特征
第5章 薄膜表征（5 学时）
薄膜材料现代表征方法的分类、原理和适用范围
第6章 先进薄膜材料简介（1 学时）
超硬薄膜、纳米薄膜及功能薄膜材料简介
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0.01
粘滞-分子流 Kn = 0.01~1
1
分子流（自由分子流、Knudsen流） Kn >> 1
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1 真空技术基础
2、真空泵的分类及工作气压范围； 常用真空泵的结构工作原理、特点、应用范围及局限性。 3、真空测量仪表的分类及总体特点； 典型真空计的测量原理、适用范围、应用特点及局限性。
本章重点
1、不同单位制真空度换算； 2、真空区域划分-气体流动特征关系； 3、典型真空泵工作原理及适用范围； 4、常用真空计工作原理及特点。
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课程简介
主要参考书：
1、田民波，薄膜技术与薄膜材料，清华大学出版社，2006 2、M.Ohring，薄膜材料科学（第2版影印本），世界图书出版公司，2006 3、杨帮朝，薄膜物理与技术，电子科技大学出版社，2006 4、戴达煌，现代表面技术科学，冶金工业出版社，2004
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1.1 真空的基本知识
1.1.1 真空度的单位 说明：
1、mmHg是人类使用最早、最广泛的压强单位； 1958年为纪念托里切利，用托（torr）代替 mmHg：1 torr＝1 mmHg 2、早期的真空度计量常以 torr 或 mbar 为单位；目前随着标准化进程的推进， SI（MKS）制单位应用日渐广泛 真空度用 Pa 作单位 ！ 现代真空技术的极限：每 cm3 空间内仅有数百个气体分子 对应 P 10-11 Pa
(1.013×105/760)
bar 1.333×10-3
(1.013/760)
atm 1.316×10-3
(1/760)
PSI 1.9337×10-2 1.4504×10-4
10-5
9.869×10-6
(1/1.013×105)
1 bar
1 atm 1 PSI
7.501×102
760.0 51.7149
本课程的研究内容
凝结 材料学 薄膜在基片上 伴随复杂物理化学过程 形核 阶段 涉及 物理学 形成，可分为 化 学 长大
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制备技术 形成机制 主要研究：各种薄膜材料的 成分结构 特性性能
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1 真空技术基础
本章主要教学内容
1、薄膜/真空的定义与关系；真空度的物理意义、单位制及换算方法； 真空区域的划分与气体流动特征对应关系。
1.1 真空的基本知识
1.1.2 真空区域的划分
3）理想气体状态方程： P nkT， PV 式中：n — 分子密度 (个/m3)； P — 气体压强 (Pa)； V — 气体体积 (m3)； M — 气体分子量 (kg/mol)；
m RT M
k — 玻尔兹曼常数，1.38×10-23 J/K； T — 气体温度 (K)； m — 气体质量 (kg)； R — 普适气体常数，R = NA· k = 8.314 J/mol· K； 23 NA — Avogadro常数，6.02×10 个/mol；
国际单位制（MKS制，即SI制） 1 Pa＝1 N / m 2 厘米克秒制（CGS 制） 1 bar＝106 dyne/cm 2 ■ 主要单位制 1 PSI ＝1 lbf / inch 2 英制（FPS制） 毫末汞柱制（mmHg 制） 1 torr ＝1 mmHg ＝1 / 760 atm
真空与 薄膜材料与技术 有何关系 ？
制备现代薄膜材料
—— 大部分情况下需要在 真空或较低气压条件下 进行，
涉及 真空下气相产生、输运、反应、凝聚、沉积 等过程 ！
因此：
了解 真空的基本概念和知识 ； 掌握 真空的获得和测量技术 基础知识 是了解 薄膜材料制备技术 的必要基础 ！
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课程简介
总学时数：24 学时，每周 4 学时，1-6 周
课程性质：材料类专业 院级任选课
学习：薄膜材料的合成制备、形成机制、成分结构、性质性能 掌握：薄膜材料的基本概念、一般规律 和 工艺方法 ！
教材：
唐伟忠：薄膜材料制备原理、技术及应用（第2版）， 冶金工业出版社，2003 郑伟涛：薄膜材料与薄膜技术（第2版）， 化学工业出版社，2008
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武涛 副教授 2018年 秋季学期
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本课程讨论的对象：
什么是薄膜（Thin film）？
① 相对尺度：某一维尺寸 << 其余二维尺寸； ② 绝对尺度：在此维度上材料厚度 < 1~5 m
厚度 > 5 m 的沉积层叫什么 ？
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1 真空技术基础
1.1 真空的基本知识
1.1.1 真空度的单位 不同真空度单位制间的换算关系：
torr/mmHg 1 torr (1 mmHg) 1 Pa 7.501×10-3
(760/1.013×105)
Pa 1.333×102
一般称为涂层 (Coatings)
本课程的讨论对象是什么 ？ 具有结构/功能特性的固态薄膜（thin solid films）！