Unités communes pourultra-vide
1. Les millibars (mbar) sont des unités de pression d'air, 1 000 mbar=1 bar=1 * 105 Pa ;
2. Torr provient de la colonne millimétrique de mercure (mmHg) dans l'expérience de Torricelli, avec 760 Torr=1 atm ;
3. Pa vient du Système international d’unités (SI), où 1 Pa équivaut à 1 N/m2 ;
Remarque : Pa est l’unité dérivée du Système international d’unités et non l’unité de base.
Remarque : 1 bar est strictement défini comme 105 Pa et 1 atm est strictement défini comme 101 325 Pa. Les deux sont généralement considérés comme cohérents dans l'utilisation pratique, mais ont des définitions différentes.
Remarque : Dans la pratique, en raison des valeurs similaires de Torr et de mbar, ils sont généralement considérés comme équivalents lorsque la précision n'est pas requise.
Remarque : les kilogrammes (kg/cm2) sont souvent utilisés comme unité de pression en ingénierie, avec une valeur proche de 105 Pa.
Définition de l'ultra-vide
1. Ultravide (UHV), généralement défini comme 10-7-10-12 mbar ;
2. High vacuum (HV), generally defined as>10-7 mbar;
3. Vide extrême élevé (XHV), généralement défini comme<10-12 mbar.
Caractéristiques de l'ultra-vide
La propreté élevée est la raison fondamentale pour laquelle l'analyse de surface nécessite un vide ultra-élevé. La physique des surfaces étudie souvent les phénomènes physiques de plusieurs couches atomiques à la surface. Par conséquent, même dans des conditions de vide, l'adsorption de molécules de gaz sur la surface de l'échantillon peut affecter considérablement les résultats expérimentaux. Nous utilisons souvent le terme « durée de vie » pour décrire le temps nécessaire pour que la surface d'un échantillon soit nettoyée et que les résultats expérimentaux soient affectés par la contamination. En raison des différentes capacités d'adsorption des molécules de gaz, il existe des différences significatives dans la durée de vie des échantillons entre différents échantillons. Même pour le même échantillon, différentes expériences auront des définitions complètement différentes de la durée de vie de l'échantillon. D'une manière générale, la durée de vie des états de surface est beaucoup plus courte que celle des états du corps.
En science des surfaces, L (Langmuir) est utilisé pour définir l'exposition de la surface d'un échantillon, où 1 L=10-6 Torr * s. Nous pouvons voir que l'exposition de l'échantillon est inversement proportionnelle à la pression de l'air. Ainsi, afin d'améliorer la durée de vie de l'échantillon, nous essayons souvent d'augmenter le degré de vide du système autant que possible.
Si l'on calcule sur la base des molécules N2 à température ambiante, en considérant que toutes les molécules sur la surface de collision sont adsorbées, une couche de molécules sera adsorbée sur la surface de l'échantillon en 3 secondes dans des conditions de vide de 10-6 Torr. Dans la propagande scientifique populaire, nous décrivons souvent l'importance du vide en utilisant 10-6 Torr correspondant à un temps de couverture de monocouche de 1 s. Ce terme est assez vivant et facile à comprendre, mais les étudiants engagés dans la recherche sur les surfaces ne doivent pas l'utiliser comme base de recherche scientifique.
La moyenne statistique de la distance entre deux collisions adjacentes de chaque molécule de gaz est appelée le libre parcours moyen de la molécule. La taille du libre parcours moyen des molécules est liée au type, à la densité et à la vitesse des molécules dans le vide. À température ambiante, en considérant N2, le libre parcours moyen des molécules de gaz est inversement proportionnel à la pression du gaz : à la pression atmosphérique (105 Pa), le libre parcours moyen est de 59 nm, et à 10-7 Pa, le libre parcours moyen est aussi élevé que 59 km. Sur la base de ce paramètre, nous pouvons estimer le vide minimum requis pour la croissance par pulvérisation cathodique magnétron.
Le libre parcours moyen des électrons correspond à la moyenne statistique de la distance parcourue entre deux collisions consécutives d'électrons et de molécules de gaz (en ignorant les collisions entre électrons). Ce paramètre s'applique principalement au système expérimental de spectre d'énergie photoélectrique.
Dans des conditions de vide ultra-élevé, la convection thermique est généralement ignorée et le rayonnement et la conduction thermiques sont principalement pris en compte.Systèmes à basse température(hélium liquide, azote liquide) visent principalement à empêcher le transfert de chaleur externe. Pour les systèmes utilisant de l'azote liquide, la conduction thermique est la principale source de chaleur ; pour les systèmes utilisant de l'hélium liquide, le rayonnement thermique externe ne peut être ignoré et une attention particulière doit être accordée lors de la conception du système. Les systèmes à haute température doivent tenir compte de l'augmentation de la température du matériau et de la libération de gaz provoquées par le rayonnement thermique généré par le chauffage du filament. La conduction thermique à haute température affecte principalement la mesure de la température des thermocouples. De plus, le rayonnement thermique généré par le matériau lui-même après avoir été chauffé à une température plus élevée ne peut être ignoré.
Le domaine d'application de l'ultra-vide
Le domaine d’application de l’ultra-vide est très vaste, et nous en énumérons ici quelques-uns qui sont les plus étroitement liés à la recherche en physique de surface,y compris la pulvérisation magnétron, dépôt par impulsion laser, épitaxie par faisceaux moléculaires, analyse de surface, et accélérateurs de particules.
La technologie du vide ultra-élevé est largement utilisée dans les domaines de l'épitaxie par faisceaux moléculaires et de l'analyse de surface, et divers types d'équipements d'épitaxie par faisceaux moléculaires, de spectroscopie photoélectronique, de microscopie à effet tunnel et d'autres systèmes de caractérisation de préparation fonctionnent dans cette gamme. Étant donné que les systèmes à vide représentent souvent une part importante des coûts de construction des systèmes, comment choisir le groupe motopompe approprié et obtenir rapidement le meilleur degré de vide possible par des moyens appropriés est un problème courant qui perturbe les domaines concernés.
Les accélérateurs de particules ont les exigences les plus strictes en matière de vide, mais en raison du coût global élevé du système, unité de pompe à videLe coût n'est pas le principal élément. En général, les pompes à vide sont configurées de la meilleure façon possible. De plus, il n'y a généralement aucune source de pollution dans la chambre d'accélération et le degré de vide atteint généralement une plage de vide très élevée.
La pulvérisation magnétron génère une pollution importante pendant le processus d'évaporation en raison de problèmes de mécanisme et ne recherche généralement pas de niveaux de vide particulièrement élevés.Unités de pompage moléculairesont généralement suffisants pour répondre aux conditions d'utilisation. Ces dernières années, avec l'avancement continu de la technologie et le développement ultérieur des besoins de recherche, le degré de vide des systèmes de pulvérisation magnétron a été continuellement amélioré et les technologies liées au vide ultra-élevé entrent également constamment dans ce domaine.
Par le passé, la demande de degré de vide dans la technologie de dépôt par impulsions laser (PLD) se situait entre l'épitaxie par faisceaux moléculaires et la pulvérisation cathodique magnétron. Ces dernières années, en raison de l'intégration progressive avec la technologie d'épitaxie par faisceaux moléculaires (MBE), la demande de degré de vide a également augmenté constamment. L'épitaxie par faisceaux moléculaires laser (LMBE) est une technologie à vide ultra-élevé qui intègre le MBE dans le PLD.
