V006230 Реферат Теория испарения материалов

Введение

Получение тонких пленок является одной из основных задач технологии изготовления микросистем. Технологии получения тонких пленок невозможно было бы разработать без знания некоторых разделов физике. В качестве одного из таких разделов выступает теория испарения материалов. Поскольку в нашем курсе по физическим основам микро- и наноэлектронике уделено большое внимание получению тонких пленок, я решил глубже познакомиться с явлениями испарения материалов.

В данном реферате планируется рассмотреть процессы испарения жидких и твердых тел, при каких давлениях и температурах они возможны. Рассмотрены процессы испарения с диссоциацией и без нее, а так же испарение с разложением. Вывести уравнение Кнудсена, объяснить его физический смысл. На его основе рассмотреть процесс испарения материалов при неравномерном испарении их компонентов. И в общих чертах рассмотреть основные виды испарения и виды испарителей

Что такое испарение?

Испарением называется переход твердых тел или жидкостей в газообразное состояние. Процесс испарения возможен в случае, если кинетическая энергия частиц, вылетающих из твердого тела или жидкости, больше энергии взаимодействия этой частицы с другими частицами твердого тела или жидкости. В твердых телах силы взаимодействия частиц выше, чем силы взаимодействия частиц жидкостей, поэтому для вырывания частиц твердого тела приходится затрачивать значительно больше энергии, которая идет не только на десорбцию отдельных молекул, но и на разрушение кристаллических решеток, вырывание комплексов с твердой поверхности. По этой причине при стандартных условиях количество частиц, выходящих с поверхности твердого тела ничтожно мало, и мы, за исключением некоторых случаев, не можем обнаружить заметного улетучивания частиц. Примерами испарения с твердого тела может служить высыхание белья при температуре ниже нуля, испарение кристалликов йода при нагревании его на горелке и другие

Процесс испарения жидкостей нам знаком со школьного курса, поэтому я просто напомню его. Пусть жидкость находится в сосуде и за время проведения опыта температура жидкости остается неизменной. Молекулы испаряются с ее поверхности до момента, когда число молекул жидкости, покидающих поверхность в единицу времени, равно числу молекул, возвращающихся в жидкость. Это состояние достигается при определенной концентрации молекул пара при данной температуре, и говорят, что пар находится в динамическом равновесии со своей жидкостью – насыщенный пар. При увеличении давления в сосуде равновесие нарушается, часть молекул пара  конденсируется обратно в жидкость до тех пор, пока концентрация молекул газа не будет соответствовать давлению насыщенного пара для данной жидкости  при определенной температуре. При понижении давления в сосуде часть молекул жидкости дополнительно переходит в газообразное состояние для получения равновесной концентрации паров над поверхностью жидкости.

Таким образом, концентрация насыщенного пара при неизменной температуре для каждой жидкости остается неизменной. Из основного уравнения МКТ: P=nkT, следовательно, давление насыщенного пара при определенной температуре не зависит от объема.

Нагревание увеличивает среднюю кинетическую энергию молекул жидкости, энергия каждой молекулы увеличивается, поэтому вероятность перехода их в газообразное состояние увеличивается, соответственно, растет и скорость испарения. Равновесное давление пара над жидкостью становится выше. Другими словами, динамическое равновесие устанавливается при больших концентрациях молекул газа.

Процесс испарения твердого вещества

Процесс испарения твердого вещества называется сублимацией (или возгонкой). Чтобы разобраться когда возможен этот процесс, рассмотрим фазовую диаграмму вещества (Рис.1)

ТК – кривая испарения, ТМ – кривая плавления, ОТ – кривая сублимации. Для нас интерес представляет последняя кривая. Она представляет собой равновесие твердой и газообразной фаз. Процесс сублимации возможен при давлении в тройной точке Т и ниже ее, что соответствует давлению р¬¬тр и ниж嬬¬. Для многих веществ давление р¬¬тр  в тройной точке  меньше 1атм (≈ 10¬¬¬¬5 Па.). То есть при атмосферном давлении нагревание таких веществ приводит к их плавлению. И для начала процесса сублимации необходимо уменьшить давление до значения р¬¬тр. Таким образом, процесс сублимации для таких веществ будет протекать в разряженной среде.

Будем двигаться вдоль кривой ОТ. Получается, что при постоянном объеме V определенной температуре Т будет соответствовать равновесное давление ps. Экспериментальные данные показывают, что равновесное давление имеет непосредственное отношение к процессу испарения веществ в вакууме: скорость испарения имеет некоторый предел, который соответствует равновесному давлению пара при данной температуре. Для теоретического обоснования данного соотношения применяют кинетическую теорию газов. Число частиц, обладающих кинетической энергией, а, следовательно, скоростями,  достаточными для ухода их в газовое пространство, можно определить, используя функцию распределения молекул по скоростям (закон Максвелла). Эта функция показывает, какая доля от всего количества молекул обладает скоростями, лежащими между ν и ν+dν. В данном случае влияние оказывает только компонента скорости, перпендикулярная к поверхности раздела сред. Имеем:

dn=n√(m/(2πkT_u ))  exp⁡〖(-(mν_x^2¬¬¬¬)/(2kT_u )) ν_x dν_x 〗,                                                     (1)

где     n – число молекул в единице объема исходного вещества, 쬬¬3¬;

m – масса молекулы, кг;

k – постоянная Больцмана, Дж/град;

Тu – температура нагретого вещества, К.

Если скорость частицы больше некоторого значения ν_пр, то она покинет поверхность и перейдет в газовое состояние, следовательно, общее число молекул, испаренных с единицы площади в единицу времени, равно: