Определение температурной границы сорбции частиц металла на поверхности твердого тела: Методические указания к лабораторной работе

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Физический факультет Кафедра общей физики

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Часть 2. Молекулярная физика

Новосибирск, 1988

2. ТЕРМОДИНАМИКА Лабораторная работа 2.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ГРАНИЦЫ СОРБЦИИ ЧАСТИЦ МЕТАЛЛА НА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА Цель работы - исследование процессов сорбции паров металла на твердых поверхностях, определение температурной границы сорбции частиц. Оборудование: вакуумная система, вакуумметр, рабочий объем, блок питания и регулировки, потенциометр самопишущий. В реальных условиях в плотных газах не существует совершенно чистых твердых или жидких поверхностей: все они покрыты слоем окружающего газа или его компонентами. Известно несколько механизмов захвата частиц газа твердым телом. 1. Газ может поглощаться всем объемом тела, т.е. проникать вглубь, подобно тому, как это происходит при растворении в жидкости. Это явление называется абсорбцией. 2. Газ или пар могут взаимодействовать с поверхностью твердого тела, образуя пленки толщиной в одну или несколько молекул. Такой процесс называется адсорбцией. 3. Возможна химическая связь компонент газа с молекулами твердого тела. Подобное явление называется хемосорбцией. Обычно трудно установить, какой механизм поглощения газа имеет место, поэтому употребляют общий термин "сорбция", введенный Мак-Беном в 1909 г. Работа, которую необходимо совершить для удаления молекулы или атома с твердой поверхности в газовую фазу, называется теплотой сорбции. Теплота сорбции зависит от "глубины залегания" слоя, из которого перемещается молекула в газ, от характера взаимодействия этой молекулы с поверхностью и окружающими слоями молекул. Как правило, теплота хемосорбции на несколько порядков больше, чем теплота абсорбция и адсорбции. Процесс, в котором атомы и молекулы отделяются от поверхности твердого тела и переходят в газовую фазу (процесс, обратный сорбции), называется десорбцией. Для определения теплоты сорбции атомов и частиц металла на металлической подложке (поверхность, на которой осаждаются испаренные атомы) в данной работе применен прибор, показанный на рис. 1.

Рис.1. Схема испарителя и подложки: 1 - стенки вакуумной камеры, 2 - сосуд Дьюара, 3 - подложка, 4 - испаритель Исследуемый металл испаряется в испарителе, его пары осаждаются на подложке. Попадая на подложку, частицы пара, имеющие температуру испарителя Ti, отдают избыток энергия и принимают температуру Tp - температуру подложи. Поскольку процесс испарения идет при любой температуре, адсорбированные атомы тоже испаряются. Вероятность испарения с поверхности, как функция температуры, задается распределением Больцмана

W =

1 −Q kT ⋅e (1) τ0

где W - вероятность испарения с единичной поверхности за 1 c; k - постоянная Больцмана; T - температура; τ o - коэффициент пропорциональности; Q - теплота сорбции, или "энергия связи". Таким образом, на подложке происходит два противоположных процесса: а) напыление - сорбция испаряющихся паров металла; б) испарение с подложки - десорбция. Запишем плотность потока частиц от испарителя на подложку, т.е. поток частиц в единицу времени, испаренных с единичной поверхности, имеющей температуру Ti, учитывая формулу (1):

ji ≈

ni −Qi ⋅e τ oi

kTi

(2)

где ni - плотность испаренных частиц, Qi - теплота испарения, Ti - температура

испарителя,

τ oi - время испарения.

Аналогично для плотности частиц, испаряемых с подложки, имеем

jp ≈

np

τ op

⋅e

−Q p kTp

(3)

где np - плотность испаряемых с подложки частиц, Qp - теплота, сорбции, Tp температура подложки. Естественно, что плотность потока частиц от испарителя, дошедших до подложки, будет отличаться от значения ji, что, очевидно, зависит от геометрии и взаимного расположения подложки и испарителя, которое в процессе эксперимента не изменяется. Поэтому, введя безразмерный параметр α i j i , можно написать, что плотность потока частиц от испарителя на подложку непосредственно у ее поверхности равна

α i ji .

Подложка представляет собой металлическую пластинку, имеющую перепад температур по длине от 77 К (температура жидкого азота) до 300 К (комнатная температура). То есть на определенном участке подложки существуют условия, при которых поток частиц от испарителя на пластину при температуре T станет равным потоку частиц, испарившихся с этого участка:

np

τ op

⋅e

−Q kTp

=α

ni −Q kTi ⋅e (4) τ oi

Так как источник точечный, то интенсивность потока, падающих атомов не постоянна по ширине подложки и линяя раздела проходит по подложке полукругом (как показано на рис. 1). Считаем что,

α≈

1 (5) R2

где R - расстояние от испарителя до подложки (испаритель считаем точечным), коэффициент пропорциональности.

α -

Записав соотношение (4) для двух точек подложки, имеющих соответственно '

''

температуры TP и TP и коэффициенты другое, получим

e или

−

QP  1 1  − k  TP' TP"

   

α' = " α

(6)

α ' и α " , делением одного соотношения на

(T = (T

' P ' P

QP

⋅ TP" ) α' ln k (6а) − TP" ) α"

где

α '  R"  =  α "  R ' 

2

'

Здесь R’ - расстояние от испарителя (4) до точки линии равновесия потока TP , R’’ - то ''

же до точки равновесия потоков TP (Рис.1). Если провести еще одно напыление при другой температуре испарителя

− Ti ∗ ,

∗

причем Ti > Ti , то из уравнения (4), предполагая, что τ oP , τ oi , Qp, Qi не зависят от температуры в интервале 77 К< Т<300 К, можно получить следующее соотношения:

e

−

QP k

 1 1  − T∗ T' P  P

   

=

'∗

α ⋅e α'

−

Qi k

 1 1  − T∗ T i  i

   

(7)

или

 1 1   ∗ − '  TP TP  k ln α '∗ α '  + Qi = QP  1 1   1 1  (7а)  ∗ −   ∗ −   Ti Ti   Ti Ti  согласно вышесказанному 2

α '∗  R '   (8) = α '  R '∗  Описание установки Общий вид рабочей части установки показан на рис. 1. Температура испаряемого металла устанавливается автоматически регулятором и измеряется термопарой. Для создания двух температур напыления служат два испарителя. На массивной плите (1) крепятся испарители (4), термопары и нижний конец подложки (3). Верхняя часть подложки (3) крепится к сосуду Дьюара (2). Температура "холодного" конца подложки принимается равной температуре кипения жидкого азота, температура "теплого" конца - равной комнатной. Продольный градиент температуры подложки принят постоянным по всей длине.

Порядок работы

Рис. 2. Принципиальная схема установки: CV - рабочий объем, ND диффузионный насос, NV - форвакуумный насос, V1,V2… - краны, PA1,PT1,PA2… манометрические лампы 1. Приступая к работе, ознакомьтесь со схемой установки и найдите основные ее узлы (рис. 2). ВНИМАНИЕ! При попадании атмосферного воздуха в горячий диффузионный насос (ND) происходит окисление горячего масла и насос выходит из строя. 2. Перед включением форвакуумного насоса (NV) все краны лабораторной установки (V1, V2, V3, V4) закройте. 3. Включите NV и проверьте его работоспособность по термопарному вакуумметру PT3. 4. Проверьте состояние диффузионного насоса ND по термопарному вакуумметру РТ2, давление в насосе должно быть Р = 10-1 мм рт. ст. 5. Откройте кран V3 и откачайте ND до давления 10-2 мм.рт.ст. 6. Откройте слив, включите охлаждение (вода) и печь ND, насос выходит на режим в течение 40 - 50 мин. 7. Вскройте рабочий объем ND и подготовьте его к работе для чего очистите подложку от солей и жира мелкой шкуркой, протрите чистой ветошью (чистую поверхность руками не трогайте) и закрепите ее на плите. В печь испарителя (спиралька) поместите цинк и термопару. Объем задрайте. 8. При достижении в ND давления Р = 10-4 мм рт.ст. закройте V3, откройте кран

V4 и откачайте рабочий объем до Р = 10-1-10-2 мм рт.ст.(3-4 мВ по термопарному вакуумметру). 9. Закройте кран V1, откройте краны V2 и V3, откачайте систему до 10-3-10-4 мм рт.ст. и залейте в сосуд Дьюара жидкий азот. Можно считать, что через 30 мин установится стационарное распределение температуры по всей длине подложки. 10. При достижении давления в рабочем объеме (8-6)10-5 мм рт. ст. включите распыление цинка с помощью испарителя. 11. По окончании работы выдуйте из сосуда Дьюара жидкий азот и только после этого выключите установку. Для чего а) выключите манометрические лампы PA1,PA2,PT1,PT2,PT3; б) закройте кран V2; в) выключите печь ND; г) через 40 мин закройте кран V3, перекройте воду, закройте слив; д) выключите форвакуумный насос NV. 12. Обработайте подложку, т.е. измерьте расстояние до границ напыления нагреваемого и охлаждаемого концов подложки, найдите средний градиент температуры на подложке. Определите в градусах Кельвина температуру границы напыления, измерьте расстояние от испарителя до границ напыления. 13. По формулам 6а и 7а вычислите теплоты испарения Qi и сорбции Qp и оцените ошибки их измерения. 14. На задней от испарителя стороне пластины, так же как и на передней, но на другом уровне, наблюдаются границы сорбции. Объясните их природу. Предложите эксперимент, подтверждающий Вашу гипотезу. См. библиографический список: /3/;/7/. Интернет версия подготовлена на основе издания: Описание лабораторных работ. Часть2. Молекулярная физика. Новосибирск: Изд-во, НГУ, 1988  Физический факультет НГУ, 1999  Лаборатория молекулярной физики НГУ, 1999, http://www.phys.nsu.ru/molecules/