Список літератури. 1. Кемибелл Д.С. Механические свойства тонких пленок/ Технология тонких пленок: под ред

1. Кемибелл Д.С. Механические свойства тонких пленок/ Технология тонких пленок: под ред. Л. Майссела, Р. Глэнга.- М.: Сов. радио, 1977.- С. 246-266.

2. Проценко І.Ю. Технологія одержання і застосування плівкових матеріалів: навч. посібник / І.Ю.Проценко, Н.І. Шумакова. – Суми: Вид-во СумДУ, 2008. – 198 с.

 

Лабораторна робота 5

СПОСТЕРЕЖЕННЯ КРИТИЧНОЇ ТЕМПЕРАТУРИ КОНДЕНСАЦІЇ У ПЛІВКАХ ЛЕГКОПЛАВКИХ МЕТАЛІВ

 

Мета роботи – визначення критичної температури конденсації для плівки легкоплавкого металу на аморфній підкладці та вивчення залежності критичної температури від швидкості конденсації.

Елементи теорії. Конденсацією називається процес переходу речовини із газової фази в тверду або рідку. Якщо на шляху молекулярного пучка випаровуваної речовини розмістити підкладку, то на її поверхні буде утворюватися конденсат (плівка). Для більшості металів при температурі підкладки (Т_п), меншій або близькій до кімнатної, коефіцієнт конденсації (α) дорівнює одиниці. Лише в початковий момент (τ ₀ ~ 10^-1 c) коефіцієнт конденсації α < 1, тобто конденсація є неповною.

Підвищення температури підкладки збільшує проміжок часу неповної конденсації. Але при збільшенні часу конденсації (τ > τ ₀) збільшується число зародків на підкладці та їх розміри, що призводить до перекриття полів (ділянок) захоплення адсорбованими атомами.

Серед різних факторів, які впливають на процес утворення конденсату, найбільш суттєвими є критична температура (Т_кр) та швидкість конденсації (ω). Критична температура – це така температура підкладки при заданій швидкості конденсації, вище якої конденсат не утворюється. Причина цього явища пов’язана з великою дифузійною рухливістю атомів (молекул) на підкладці, що призводить до їх ревипаровування. Швидкістю конденсації (питома густина молекулярного пучка) називається фізична величина, що дорівнює кількості речовини, яка конденсується на підкладку за одиницю часу. Найбільш практичною одиницею її вимірювання є /с (нм/с), але ми будемо використовувати одиницю ат/м²с.

Вважаючи, що густина плівки (ρ) має таке саме значення, як і масивний метал, можна легко перейти від одиниці вимірювання ат/м²с до /с. Формулу переходу можна записати так:

ат/м²с,

де μ – молярна маса; N_A – число Авогадро.

Слід підкреслити, що поряд з поняттям критичної температури розглядається також поняття критичної швидкості конденсації (ω _кр), тобто таке значення швидкості конденсації (або питомої густини пучка) при фіксованій температурі підкладки, нижче якого конденсація плівки не відбувається. Вивчення ефекту критичної температури належить до однієї з найбільш «старих» задач у фізиці тонких плівок.

Уперше критичну температуру конденсації спостерігали в 1916 році американські вчені М. Кнудсен та Р. Вуд. У таблиці 1 наведені деякі літературні дані значень критичної температури для різних металів. У 1924 році Ю.Б. Харитон та М.М. Семенов уперше спостерігали залежність критичної температури від густини молекулярного пучка.

Я.І. Френкель (1924 рік) побудував теорію, з якої випливає аналітична залежність між ω _кр та Т_кр:

 

, (1)

 

де А – деяка константа (при вимірюванні ω _кр в ат/м²с).

Величина А має порядок 10³ – 10⁶ кг/м²∙ с, а при вимірюванні ω _кр в /с – 10¹⁴ – 10¹⁷ /с); k – стала Больцмана; Q – енергія зв’язку між атомом, який знаходиться на підкладці, і атомом із пучка, який приєднується до нього (за порядком величина повинна дорівнювати теплоті випаровування в розрахунку на один атом).

Співвідношення (1) лише задовільно відповідає експериментальним результатам, оскільки величина Q за різними експериментами може відрізнятися в 1, 5 - 2 рази. Із експериментальної залежності , перебудованої в координатах , можна знайти величину Q та передекспоненціальний множник А. Дійсно

 

. (1')

 

Таблиця 1 – Значення критичної температури конденсації

 

Матеріал	Ткр, К[1]	Матеріал	Товщина плівки,	Ткр, К [2]
плівки	підкл.	плівки	підкл.
Hg	Скло	193-143	Bi
Zn	-''-	90-195	-''-	Плівка Al2O3
Cd	-''-	-''-	-''-	-''-		-''-
Mg	-''-	-''-	-''-	Скло	-
Cu	-''-	623-848	-''-	Плівка кварцу	-
Ag	-''-	> 848	-''-	Ацетат-ний лак	-

 

Звідси , а А дорівнює відрізку, який відсікає пряма (1’) при екстраполяції 1/kT_кр на нуль. Фізико-хімічні властивості підкладки суттєво впливають на величину критичної температури. У зв’язку з цим для вивчення ефекту «в чистому вигляді» необхідно використовувати лише нейтральні (аморфні) підкладки.

 

Методичні вказівки. За метали, з яких будуть готуватися плівки, краще за все взяти такі легкоплавкі, як Sb, Cu, Zn, Sn. Для спостереження ефекту критичної температури необхідно вздовж підкладки (рис.1) створити градієнт температури від кімнатної температури до 400-600 К (залежно від вибраного металу). Оскільки підкладка повинна бути аморфною, то в тому випадку, коли вона металева, її попередньо покривають тонкою вуглецевою плівкою або лаком.

Рисунок 1 – Пряма підкладка з градієнтом температури: 1– підкладка; 2 – нагрівник; 3 – водяне охолодження; 4, 5 – схема закріплення термопари до металевої (4) та скляної (5) підкладки; 6 – бокові отвори

 

Для визначення швидкості конденсації необхідно користуватися формулою

 

,

 

де d_к – кінцева товщина; τ _п – повний час конденсації.

Товщину плівки в даній роботі можна обчислити за допомогою формули для точкового джерела (рис. 2)

 

, (2)

 

де ∆ m - маса випаровуваного металу; ρ - густина металу; l _н, l - відстань від точкового джерела до підкладки по нормалі та від нормалі до точки, в якій визначається товщина.

Хоча необхідно мати на увазі, що існують й інші, більш точні методи визначення товщини, а також, що умова точковості виконується вже при l _н = 7-10 см.

Для одержання залежності досить провести три експерименти при трьох різних швидкостях конденсації: ω ₁ = 0, 1; ω ₂ = 1, 0 та ω ₃ = 10 /с (бажано на трьох різних підкладках). Температура Т_кр визначається за допомогою градуювальної залежності Т_п = f(x), де х – координата розміщення термопар (за початок відліку береться точка розміщення охолоджувача).

 

Рисунок 2 – Геометрія розміщення підкладки та джерела конденсації для одержання співвідношення (2)

 

Побудувавши експериментальну залежність у координатах , проводимо обчислення енергії Q (формула (1)).