Разбираясь с вопросом, от чего зависит скорость испарения жидкости, нужно рассматривать закономерности влагообмена, встречающиеся в повседневной жизни. Так, теплообмен напрямую влияет на улетучивание молекул любого раствора. Частицы легче отрываются от поверхности при достаточном запасе кинетической энергии. Последняя сообщается в процессе, когда мы пытаемся остудить чашку кофе или чая, обдувая поверхность стакана.
Физические процессы
Рассмотрим, от чего зависит скорость испарения жидкости при различных условиях. Влияние оказывают свет от солнца, ветер, состав раствора, температура. Сам физический процесс испарения можно представить как хаотичное движение невесомых шариков. Каждый из них обладает определенным запасом кинетической энергии. Получать последнюю они могут извне или от соседствующих молекул.
В результате выхода молекул из раствора получается газообразное вещество. Отсюда следует первое, от чего зависит скорость испарения жидкости — от плотности мельчайших частичек над поверхностью любого жидкого вещества. Но на весь процесс влияет и плотность самого раствора. Молекулам легче оторваться в очищенном от солей дистилляте, чем преодолевать давление тяжелых частиц.
Процесс испарения наблюдают из любого вещества: твердого, жидкого. Разрежение в воздухе облегчает выход частиц с поверхности, повышенная влажность тормозит их движение. Подогрев раствора на огне повышает обмен кинетической энергии между молекулами, помогая разрушать установившиеся связи.
От чего зависит скорость испарения жидкости? От площади поверхности, с которой будут вылетать молекулы. Так, с разлитой лужи вода исчезнет быстрее, чем из бутылки с узким горлышком. Ветер поможет высвободить наиболее кинетически заряженные частички.
Опыт № 1. Площадь
Скорость испарения жидкости зависит от площади поверхности сосуда, в котором она находится. Доказательством этому служит опыт, в котором подбирают несколько видов емкостей, различающихся по форме горлышка. Везде наливают одинаковое количество однородного раствора.
Горлышки открытые. Засекают время и по его истечении производят замер оставшегося объема жидкости в каждом сосуде. Составляется таблица, и по результатам несложно заметить, что наименьшее количество будет в самой широкой емкости. Однако учитывается еще много факторов: температура, движение и плотность воздуха в помещении.
Еще один простой опыт позволяет проверить, как зависит скорость испарения жидкости от площади. Нужно просто вылить воду из сосуда на пол и засечь время. Соответственно, можно увидеть, что разлитый объем практически моментально исчезнет, в отличие от жидкости в сосуде.
Опыт № 2. Источник движения воздуха
Скорость испарения увеличивается, если напротив поверхности установить источник движения воздуха. Помочь в этом может вентилятор или другой аналогичный прибор. Время сократится при использовании нагревательных элементов.
Фен способен испарить значительный объем за минуты, тогда как под воздействием вентилятора вода аналогичного объема будет исчезать целые сутки. Не только колебания воздуха влияют на выход молекул жидкости с поверхности, но и движение самого объема с жидкостью облегчает такой процесс.
Постоянное перемешивание жидкости в стакане помогает перераспределять энергию между частицами. Движение ускоряет процесс теплоотдачи от раствора воздушной среде, а это, соответственно, влияет на скорость испарения. Так, при помешивании горячего чая часть жидкости поднимается в виде пара.
Опыт № 3. Плотность среды
На скорость испарения влияет плотность среды — как самой жидкости, так и воздуха над ней. Проводят эксперимент: в одном сосуде будет вода с солью, во втором — отфильтрованная вода аналогичного объема. Через сутки соляной раствор изменит свой объем на незначительную часть по сравнению с количеством жидкости во втором сосуде.
В домах на морском побережье можно заметить, что постиранные вещи сохнут довольно долго. Это связано с повышенной влажностью воздуха. Соответственно, и испарение из сосуда в таком месте более длительное, чем вдалеке от моря, реки, озера.
Большая часть водяного пара поступает в атмосферу с поверхности морей и океанов. Особенно это относится к влажным, тропическим районам Земли. В тропиках испарение превышает количество осадков. В высоких широтах имеет место обратное соотношение. В целом же по всему земному шару количество осадков приблизительно равно испарению.
Испарение регулируется некоторыми физическими свойствами местности, в частности температурой поверхности воды и крупных водоемов, преобладающими здесь скоростями ветра. Когда над поверхностью воды дует ветер, то он относит в сторону увлажнившийся воздух и заменяет его свежим, более сухим (т.е. к молекулярной диффузии добавляется адвекция и турбулентная диффузия). Чем сильнее ветер, тем быстрее сменяется воздух и тем интенсивнее испарение.
Испарение можно характеризовать скоростью протекания процесса. Скорость испарения (V) выражается в миллиметрах слоя воды, испарившейся за единицу времени с единицы поверхности. Она зависит от дефицита насыщения, атмосферного давления и скорости ветра.
Скорость испарения, гласит закон Дальтона, пропорционально разности между давлением насыщающего пара при температуре испаряющей поверхности и фактическим давлением водяного пара:
V = А(Е S – е),
где Е S – упругость водяного пара при температуре испарителя; е – фактическая упругость водяного пара в воздухе над испаряющей поверхностью; А – коэффициент пропорциональности.
Чем больше разность (Е S – е), тем быстрее идет испарение. Если температура испарителя больше температуры воздуха, то испарение продолжается, когда воздух уже насыщен (т.е. когда е=Е, а Е<Е S).
Согласно формуле Августа, скорость испарения обратно пропорциональна давлению атмосферы р:
Но этот фактор хорошо выражен лишь в горах, где имеет место большой перепад высот, а значит и атмосферного давления.
Скорость испарения также зависит от скорости ветра (v). Таким образом, суммарная формула для расчета V:
.
Испарение в реальных условиях измерить трудно. Для измерения испарения применяют испарители различных конструкций или испарительные бассейны (с площадью поперечного сечения 20 м 2 или 100 м 2 и глубиной 2 м). Но значения, полученные по испарителям, нельзя приравнивать к испарению с реальной физической поверхности. Поэтому прибегают к расчетным методам: испарение с поверхности суши рассчитывается исходя из данных по осадкам, стоку и влагосодержанию почвы, которые легче получить путем измерений. Испарение с поверхности моря можно вычислить по формулам, близким к суммарному уравнению.
Различают фактическое испарение и испаряемость.
Испаряемость – потенциально возможное испарение в данной местности при существующих в ней атмосферных условиях.
При этом подразумевают либо испарение с поверхности воды в испарителе; испарение с открытой водной поверхности крупного водоема (естественного пресноводного); испарение с поверхности избыточно увлажненной почвы. Испаряемость выражается в миллиметрах слоя испарившейся воды за единицу времени.
В полярных областях испаряемость мала: около 80 мм/год. Это связано с тем, что здесь наблюдаются низкие температуры испаряющей поверхности, а давление насыщенного водяного пара Е S и фактическое давление водяного пара малы и близки между собой, поэтому и разность (Е S – е) невелика.
В умеренных широтах испаряемость изменяется в широких пределах и имеет тенденцию к росту при продвижении с северо-запада на юго-восток материка, что объясняется ростом в этом же направлении дефицита насыщения. Наименьшие значения в этом поясе Евразии наблюдаются на северо-западе материка: 400–450 мм, наибольшие (до 1300–1800 мм) в Центральной Азии.
В тропиках испаряемость мала на побережьях и резко увеличивается во внутриматериковых частях до 2500–3000 мм.
У экватора испаряемость относительно низка: не превышает 100 мм по причине небольшой величины дефицита насыщения.
Фактическое испарение на океанах совпадает с испаряемостью. На суше оно существенно меньше, главным образом, зависит от режима увлажнения. Разность между испаряемостью и осадками можно использовать для расчета дефицита увлажнения воздуха.
Солнечная энергия приводит в действие невероятно сильную тепловую машину, которая, преодолевая гравитацию, без труда поднимает в воздух огромных размеров куб (каждая сторона составляет около восьмидесяти километров). Таким образом, с поверхности нашей планеты за год испаряется водяной слой метр толщиной.
Во время испарения жидкое вещество постепенно переходит в паро- или газообразное состояние после того, как мельчайшие частицы (молекулы или атомы), двигаясь на скорости, достаточной для того, чтобы преодолеть силы сцепления между частицами, отрываются от поверхности.
Несмотря на то, что процесс испарения известен больше как переход жидкого вещества в пар, существует сухое испарение, когда при минусовой температуре лёд переходит из твёрдого состояния в парообразное, минуя жидкую фазу. Например, если выстиранное сырое бельё развесить сушиться на морозе, оно, замерзнув, становится очень жёстким, но через какое-то время, размягчившись, становится сухим.
Как улетучивается жидкость
Молекулы жидкости расположены друг к другу практически впритык, и, несмотря на то, что связаны между собой силами притяжения, к определённым точкам не привязаны, а потому свободно перемещаются по всей площади вещества (они постоянно сталкиваются друг с другом и изменяют свою скорость).
Частицы, что уходят на поверхность, набирают во время движения темп, достаточный для того, чтобы покинуть вещество. Оказавшись наверху, своё движение они не останавливают и, преодолев притяжение нижних частиц, вылетают из воды, преобразовываясь в пар. При этом часть молекул из-за хаотического движения возвращается в жидкость, остальные уходят дальше, в атмосферу.
Испарение на этом не заканчивается, и на поверхность вырываются следующие молекулы (так происходит до тех пор, пока жидкость полностью не улетучивается).
Если речь идёт, например, о круговороте воды в природе, можно наблюдать за процессом конденсации, когда пар, сконцентрировавшись, при определённых условиях возвращается назад. Таким образом, испарение и конденсация в природе тесно связаны между собой, поскольку благодаря им осуществляется постоянный водообмен между землёй, сушей и атмосферой, благодаря чему окружающая среда снабжается огромным количеством полезных веществ.
Стоит заметить, что интенсивность испарения у каждого вещества различна, а потому основными физическими характеристиками, которые влияют на скорость испарения, являются:
- Плотность. Чем вещество плотнее, тем ближе молекулы находятся по отношению друг к другу, тем труднее верхним частицам преодолеть силу притяжения других атомов, следовательно, испарение жидкости происходит медленнее. Например, метиловый спирт улетучивается намного быстрее воды (метиловый спирт – 0,79 г/см3, вода – 0,99 г/см3).
- Температура. На скорость испарения также влияет теплота испарения. Несмотря на то, что процесс испарения происходит даже при минусовой температуре, чем больше температура вещества, тем выше теплота испарения, значит, тем быстрее двигаются частицы, которые, увеличивая интенсивность испарения, массово покидают жидкость (поэтому кипящая вода испаряется быстрее холодной).Из-за потери быстрых молекул внутренняя энергия жидкости уменьшается, а потому температура вещества во время испарения понижается. Если жидкость в это время будет находиться возле источника тепла или непосредственно нагреваться, её температура снижаться не будет, так же, как и не снизится интенсивность испарения.
- Площадь поверхности. Чем большую площадь поверхности занимает жидкость, тем больше молекул с неё улетучивается, тем выше скорость испарения. Например, если влить воду в кувшин с узким горлышком, жидкость будет исчезать очень медленно, поскольку испаряемые частицы начнут оседать на сужающихся стенках и спускаться. В то же время, если налить воду в миску, молекулы будут беспрепятственно уходить с поверхности жидкости, поскольку им будет не на чем конденсироваться, дабы вернуться в воду.
- Ветер. Процесс испарения окажется намного быстрее, если над ёмкостью, в которой находится вода, движется воздух. Чем быстрее он это делает, тем скорость испарения больше. Нельзя не учитывать взаимодействие ветра с испарением и конденсацией.Молекулы воды, поднимаясь с океанической поверхности, частично возвращаются назад, но большая часть высоко в небе конденсируется и образует облака, которые ветер перегоняет на сушу, где капли выпадают в виде дождя и, проникнув в грунт, через какое-то время возвращаются в океан, снабжая растущую в почве растительность влагой и растворёнными минеральными веществами.
Роль в жизни растений
Значение испарения в жизни растительности трудно переоценить, особенно учитывая, что живое растение на восемьдесят процентов состоит из воды. Поэтому если растению не хватает влаги, оно может погибнуть, так как вместе с водой в него не будут поступать также нужные для жизнедеятельности питательные вещества и микроэлементы.
Вода, передвигаясь по растительному организму, переносит и образует внутри него органические вещества, для образования которых растение нуждается в солнечном свете.
А вот тут немаловажная роль отводится испарению, так как солнечные лучи имеют способность чрезвычайно сильно нагревать предметы, а потому способны вызвать гибель растения от перегрева (особенно в жаркие летние дни). Чтобы этого избежать, происходит испарение воды листьями, через которые в это время выделяется много жидкости (например, из кукурузы за сутки испаряется от одного до четырёх стаканов воды).
Это значит, что чем больше в организм растения поступит воды, тем испарение воды листьями будет интенсивнее, растение будет больше охлаждаться и нормально расти. Испарение воды растениями можно ощутить, если во время прогулки в знойный день прикоснуться к зелёным листьям: они обязательно окажутся прохладными.
Связь с человеком
Не менее велика роль испарения в жизнедеятельности человеческого организма: он борется с нагреванием посредством потоотделения. Испарение происходит обычно через кожу, а также через дыхательные пути. Это можно легко заметить во время болезни, когда температура тела поднимается или в период занятий спортом, когда повышается интенсивность испарения.
Если нагрузка невелика, из организма уходит от одного до двух литров жидкости в час, при более интенсивном занятии спортом, особенно когда температура внешней среды превышает 25 градусов, интенсивность испарения увеличивается и с потом может выйти от трёх до шести литров жидкости.
Через кожу и дыхательные пути вода не только покидает организм, но и поступает в него вместе с испарениями окружающей среды (не зря своим пациентам врачи часто прописывают отдых на море). К сожалению, вместе с полезными элементами в него нередко попадают и вредные частицы, среди них – химические вещества, вредные испарения, которые наносят здоровью непоправимый ущерб.
Одни из них токсичны, другие, вызывают аллергию, третьи – канцерогенны, четвёртые вызывают онкологические и другие не менее опасные заболевания, при этом многие обладают сразу несколькими вредными свойствами. Вредные испарения оказываются в организме в основном через органы дыхания и кожу, после чего, оказавшись внутри, моментально всасываются в кровь и разносятся по всему телу, оказывая токсическое воздействие и вызывая серьёзные заболевания.
В данном случае много зависит от местности, где обитает человек (возле фабрики или завода), помещения, в котором живёт или работает, а также времени пребывания в опасных для здоровья условиях.
Вредные испарения могут попадать в организм из предметов быта, например, линолеума, мебели, окон и пр. Дабы сохранить жизнь и здоровье, таких ситуаций желательно избегать и наилучшим выходом будет покинуть опасную территорию, вплоть до обмена квартиры или работы, а при обустройстве жилища обращайте внимание на сертификаты качества покупаемых материалов.
Процесс испарения летучих жидкостей описывается уравнением Лангмюра - Кнудсена:
где W - скорость испарения; m - масса испарившейся жидкости; τ - продолжительность испарения; s-поверхность испарения; P1 - давление пара жидкоcти; M - молекулярная масса; T - температура поверхности испарения; 0 < k < 1 - поправочный коэффициент.
За счет теплоты испарения поверхность жидкости охлаждается, что вносит погрешность в определение скорости испарения. Понижение температуры поверхности испарения зависит от летучести растворителя (рис. 21): чем выше летучесть растворителя, тем больше снижение температуры поверхности. При экспериментальных определениях летучести растворителей необходимо учитывать передачу теплоты из воздуха и от подложки. С учетом этого понижение температуры испаряющей поверхности можно выразить следующей формулой:
где h - коэффициент теплопередачи; k - теплопроводность; ΔHисп - теплота испарения; рi0 - давление насыщенного пара растворителя; Pi00 - давление пара растворителя над поверхностью; Cn - экспериментальный коэффициент, учитывающий теплопередачу от подложки; сn можно рассчитать на основании экспериментальных результатов; для ацетона Cn = 4,8.
Расчетные результаты имеют хорошую сходимость с экспериментальными. Так, при испарении воды при 25 0C ее поверхность охлаждается до 15,6 0C При этом давление пара снижается с 3,20 кПа(24 мм рт. ст.) до 1,73 кПа (13 мм рт. ст.).
Рис. 21. Понижение температуры поверхности при испарении растворителей: 1 - бутилацетат; 2- толуол; 3-изопропиловый спирт; 4-гексан; 5-ацетон.
Если окружающий воздух имеет влажность 50 %, что соответствует давлению водяного пара 1,60 кПа (12 мм рт. ст.), то движущая сила испарения, равная разности давлений пара, в случае отсутствия охлаждения поверхности при 25 °С составляла бы 3,20 - 1,60 =1,60 кПа (12 мм рт. ст.); когда же имеет место охлаждение поверхности, движущая сила существенно уменьшается: 1,73- 1,60 = 0,13 кПа (1 мм рт. ст.). Следовательно, и скорость испарения снижается в 12 раз.
При диффузии растворителя из слоя жидкости его молекулы должны диффундировать через: а) жидкую фазу к поверхности, б) поверхностный слой жидкости и в) ламинарный пограничный слой воздуха. После этого, попав в турбулентный слой обтекающего воздуха, пары растворителя уносятся. С точки зрения диффузии, испарение жидкости описывается уравнением Гарднера:
(13)
где а - константа; D - коэффициент диффузии молекул жидкости в воздух; P-атмосферное давление; х - эффективная толщина ламинарного воздушного слоя над поверхностью испарения.
Если уравнение Лангмюра - Кнудсена (11) справедливо только для испарения растворителя в вакууме, то уравнение Гарднера (13) можно применять в случае испарения на воздухе; однако оно также содержит константу, значение которой определяется условиями проведения эксперимента. Кроме входящих в уравнение Гарднера параметров на испарение существенное влияние оказывает также скорость воздуха над поверхностью испарения.
Эффективная толщина ламинарного слоя над поверхностью х зависит как от скорости воздуха, так и от формы сосуда, в котором проводится определение. Эти параметры, а также протяженность поверхности испарения, контактирующей с потоком воздуха, учитывает следующее уравнение:
(14)
где n-концентрация пара у поверхности; H - расстояние от поверхности испарения до стенки; l- длина поверхности испарения; V1 - линейная скорость воздуха; D - коэффициент диффузии молекул растворителя в воздух; ξ - аэродинамический коэффициент смещения (коэффициент захвата).
Формулы (11), (13) и (14) позволяют выражать абсолютную скорость испарения. Для технолого-лакокрасочников чаще всего достаточно иметь относительные величины для сравнения летучести растворителей. Относительную летучесть Wотн определяют по продолжительности испарения определенного количества растворителя в сравнении с эталонным растворителем, например диэтиловым эфиром, бутилацетатом (БА) или ксилолом:
(15)
где τВА90% - время испарения 90 % бутилацетата; τ90% - время испарения 90 % данного растворителя.
Для определения относительной летучести растворителей разработаны различные методы и их модификации. В основе этих методов лежит определение кинетики испарения растворителей из тонких пленок, поскольку процесс испарения из больших масс растворителей не дает представления о характере улетучивания растворителя из лакокрасочных покрытий.
Для исследования кинетики испарения небольшие количества растворителя наносят на различные подложки как пористые (ватман, фильтровальная бумага), так и гладкие (стекло, алюминий). Чтобы подложка во время опыта смачивалась равномерно, поверхность, например, алюминиевых дисков обрабатывают раствором щелочи. Другая трудность состоит в исключении неравномерности слоя из-за капиллярного эффекта. В зависимости от формы и размера диска, на который наносят растворитель, жидкость может либо подниматься по его бортикам, либо собираться в середине диска.
Кафедра ЭТТ. Дисциплина «Основы технологии электронной компонентной базы»
Лабораторная работа № 1. Особенности нанесения пленок
При термовакуумном испарении
Цель работы : ознакомление с особенностями генерации и распространения потока молекул в вакууме и c распределением толщины пленки по поверхности подложки большой площади при термовакуумном испарении.
Основные понятия и соотношения
При термовакуумном испарении поток атомов или молекул вещества генерируется при нагревании материала в вакууме до температуры, близкой или превышающей его температуру плавления.
Испарениес поверхности жидкой фазы наиболее часто используется в технике. Для объяснения механизма процесса было предложено несколько моделей. В простейшей из них жидкая фаза (расплавленный материал) рассматривается как система осцилляторов, поверхностные молекулы которой связаны с определенной энергией испарения. Предполагается, что переход в газообразную фазу происходит тогда, когда энергия колебаний молекул на поверхности равна или превосходит энергию испарения. Предполагается также, что все молекулы поверхности имеют одну и ту же энергию связи и равную вероятность испарения. Вследствие интерференции колебаний осцилляторов становится возможным испарение отдельных молекул.
В усовершенствованной статистической модели состояние молекул на поверхности описывается максвелловским распределением по энергии и пространственным распределением, связывающим смещение молекул от равновесного положения с их потенциальной энергией. Испарение молекулы происходит тогда, когда она смещается на такое расстояние, что ее потенциальная энергия становится равной энергии испарения.
Экспериментальные исследования показали, что статистическая модель достаточно хорошо применима к жидкостям, испарение которых происходит за счет обмена одиночных атомов с одноатомным паром (ртуть, калий, бериллий и ряд других металлов). Аналогично ведут себя и некоторые органические жидкости, молекулы которых имеют сферическую симметрию и малые энтропии испарения (например, четыреххлористый углерод – CCl 4).
В веществах, молекулы которых имеют различные степени свободы в конденсированном и газообразном состояниях, при испарении должно происходить изменение не только поступательного движения, но и внутренней энергии молекул. В тоже время статистически маловероятно, что молекула на поверхности получает в один и тот же момент как кинетическую, так и потенциальную энергии, необходимые для испарения при термодинамическом равновесии. Более вероятно, что молекула получает вначале необходимую кинетическую энергию, а затем должна до момента испарения получить квант внутренней энергии.
Полагают, что среди различных видов внутренней энергии молекул, наибольшее влияние на вероятность испарения оказывает энергия вращения. Это подтверждается тем, что время релаксации, необходимое для получения вращательной степени свободы молекулой с добавленной кинетической энергией, больше, чем для других процессов. Таким образом, ограничение испарения происходит вследствие потери одной степени свободы, которая уменьшает число возможных состояний для молекул в жидкой фазе. Такая форма ограничения фазового перехода называется ограничением по энтропии.
Испарение с ограничением по энтропии подтверждается для жидкостей с малыми полярными молекулами, которые испаряются с невозмущенных поверхностей (бензин, хлороформ, этанол, метанол и др.). Некоторые органические жидкости имеют вращательную степень свободы и в активированном состоянии.
При испарении металлов основным видом частиц в газовой фазе являются одиночные атомы металла и лишь небольшую часть (меньше 0,1%) составляют двухатомные молекулы. Для некоторых элементов (C, S, Se, Te , P, As, Sb) пары состоят из многоатомных молекул.
Испарение с поверхности твердой фазы , называемое сублимацией, объясняется наличием на поверхности материала моноатомных ступенек и состояний с различным числом атомов в первом и последующем слое. Так как силы связи, действующие на данный атом со стороны соседних атомов, являются аддитивными (складываются), то значения энергии испарения для атомов в различных состояниях будут различными. В первую очередь испаряются атомы с наименьшим числом связей (соседей), что создает благоприятные условия для испарения других атомов.
При испарении материалов сложного состава необходимо учитывать фракционирование вещества и возможность диссоциации. Весьма важно учитывать особенности взаимодействия испаряемого материала с материалом испарителя.
Пролет частиц вещества от испарителя до поверхности подложки сопровождается их столкновениями между собой и с молекулами остаточных газов. Для уменьшения такого взаимодействия испарение производят при давлении насыщенных паров вещества не более 10 -2 Торр, а остаточных газов – не более 10 -4 – 10 -5 Торр.
Конденсация атомов (молекул) вещества происходит после пролета материала до поверхности подложки. Она зависит от соотношения свободных энергий потока частиц и поверхности. Послойный режим роста пленок (режим Франка – Ван-дер-Мерве) реализуется, если энергия связи атомов осаждаемого вещества с подложкой больше энергии связи атомов друг с другом.
Островковый режим Фольмера-Вебера реализуется тогда, когда атомы вещества связаны друг с другом сильнее, чем с подложкой. Маленькие зародыши растут, превращаясь в большие островки конденсированной фазы. После заполнения промежутков (каналов) между островками, они сливаются и образуют сплошную пленку.
При промежуточном режиме Странского-Крастанова вначале происходит послойный рост одного-двух монослоев. Затем начинается рост островков на их поверхности. При достаточном размере островков они сливаются с образованием сплошной пленки. Одной из причин такого поведения является изменение параметра решетки при заполнении очередного монослоя.
Расчет скорости испарения
Массаиспаряемого вещества , попадающего на элементарную сферическую площадку с испарителя малой площади , определяется следующим соотношением:
, (1)
где – время испарения; – угол между нормалью к поверхности испарителя и направлением к выбранной точке подложки; – радиус сферы, на которой расположена элементарная сферическая площадка с измеряемым количеством вещества .
Скорость испарения вещества в вакууме рассчитывается по формуле:
, (2)
где – скорость испарения, г·см –2 ·с –1 ; – атомный (молекулярный) вес вещества, – давление его насыщенного пара, Торр; – температура, К.
Давление насыщенных паров вещества в объеме испарения определяется соотношением:
, (3)
в котором величины и характеризуют свойства испаряемого материала. Для всех материалов таблицы Менделеева = 8,8 (для Si–10,2); = / 4,576, К; – теплота парообразования, кал/моль. Значения , плотности и температуры плавления ряда металлов приведены в таблице 1.
Для плоской подложки, поверхность которой расположена произвольно относительно поверхности плоского испарителя конечных размеров малой площади, уравнение (1) трансформируется к виду:
, (4)
где - угол между нормалью к поверхности подложки и направлением испарения.
Таблица 1
При практическом применении метода нанесения пленок важно не количество испаренного материала, а толщина получаемых пленок и ее распределение по поверхности подложки.
Расчет толщины пленок
Указанные закономерности распределения испаренного вещества приводят к тому, что распределение толщины пленки по поверхности подложки может иметь сложный характер. Поскольку для элементарной площадки подложки количество материала (где – плотность испаряемого материала), толщина пленки для произвольно расположенной подложки определяется соотношением:
(5)
В этом соотношении положение точки подложки, в которой рассчитывается толщина пленки, определяется тремя величинами .
Для плоского поверхностного испарителя малой площади и плоской подложки, расположенной на расстоянии параллельно поверхности испарителя (рис. 1), толщина пленки определяется соотношением:
, (6)
где ; – координата вдоль поверхности подложки (расстояние от
Рисунок 1. Расположение подложки относительно испарителя
центра подложки в точке А до точки Б , в которой определяется толщина пленки); – нормированное значение координаты; – полное количество испаренного вещества.
Наибольшая толщина пленки получается в точке А подложки, а относительное изменение толщины пленки для разных точек подложки в этом случае имеет вид:
, 
. (7)
Точечный испаритель
представляет собой сферу, размеры которой пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до поверхности подложки и её размерами. С такого испарителя в элементарный телесный угол испаряется количество вещества 
. Если нанесение плёнки производится на произвольно расположенную плоскую подложку, то, как следует из рисунка, основные соотношения для точечного испарителя принимают следующий вид:
; 
. (8)
В таблице 2 приведена зависимость относительной толщины от х/h для точечного и поверхностного испарителя.
Таблица – Зависимость равномерности толщины от х/h
| х/h | 0,25 | 0,5 | 0,75 | |||
| (d/d0)п | 0,83 | 0,64 | 0,41 | 0,25 | 0,04 | |
| (d/d0)т | 0,88 | 0,71 | 0,51 | 0,35 | 0,09 |
Для стандартных размеров подложки 60х48 мм при расстоянии испаритель – подложка в 200 мм неравномерность толщины плёнки составляет около 10 %. А в современных аналого-цифровых преобразователях требования к точности резисторов (разброс по сопротивлениям) составляет не более 0,05 %. Для обеспечения нужной равномерности при нанесении плёнок на подложки как больших, так и малых размеров применяют различные способы:
Использование испарителей большой площади,
Использование кольцевых испарителей,
Применение большого числа одновременно работающих испарителей,
Перемещение подложек по сложной (планетарной) траектории,
Смещение испарителя на строго определённое расстояние относительно центра вращающейся подложки,
Применение вращающихся диафрагм специальной формы при неподвижной подложке.
При применении плоского дискового испарителя конечных размеров радиуса R соответствующие выражения для толщин принимают окончательный вид:
, 
. (9)
Для кольцевого испарителя радиуса R, центр которого совпадает с центром плоской подложки расположенной параллельно плоскости испарителя, выражение для толщины пленки принимает следующий вид:
. 
. (10)
Наиболее часто на практике находит применение вариант со смещением испарителя относительно центра вращающейся подложки. Для этого варианта с испарителем малой площади соответствующие выражения принимают вид, аналогичный формулам для кольцевого испарителя. Отличие заключается в том, что вместо радиуса тонкого кольца R в формулу входит расстояние l от испарителя до оси вращения подложки.
. 
. (11)
Использование вращающихся диафрагм (заслонок) специальной формы основано на дополнительном регулировании количества материала, поступающего от испарителя на тот или иной участок подложки. Очень важно, чтобы центр вращения диафрагмы совпадал с центром испарителя и подложки. Чтобы снизить нежелательное уменьшение толщины, поток испаряемого вещества в наиболее удаленных точках подложки не прекрывается. По мере приближения к геометрическому центру подложки край заслонки должен представлять собой дугу возрастающей длины, так, чтобы длительность прерывания потока на любом данном расстоянии обеспечивала уменьшение скорости осаждения в данном месте до величины скорости в наиболее удаленных точках. Контуры заслонок для однородного покрытия представляют собой спирали, точные линии которых для различных условий получают расчетом на компьютере. Применение вращающихся диафрагм позволяет получить равномерность толщины в пределах долей процента. Недостатком метода является избыточный расход материала, так как перекрывается и оседает на поверхности заслонки основная часть испаряемого материала.
Задание к работе
При домашней подготовке необходимо для заданного материала и толщины пленки испаренного материала определить температуру поверхностного испарителя малой площади, при которой наибольшая толщина пленки d 0 будет равна заданной. Для расчета используются зависимости (2), (3), (7), данные таблицы и вариантов заданий.
При работе в лаборатории необходимо в компьютерном эксперименте получить следующие зависимости:
Распределение абсолютной толщины d(x) для заданной d 0 для поверхностного малой площади, дискового, кольцевого и смещенного относительно центра вращающейся подложки испарителей. (Для трех последних типов испарителя предварительно необходимо подобрать температуру, обеспечивающую одну и ту же толщину d 0 при х=0);
Относительное отклонение толщины пленки заданного материала в зависимости от расстояния x по поверхности подложки при заданной d 0 для исследуемых испарителей;
Для заданного d 0 и размера подложки 100х150 мм 2 выбрать тип испарителя, все его характеристики (кроме F) и расстояние h, обеспечивающие равномерность толщины пленки не хуже 2 %.
Примечание : необходимые для расчета дополнительные сведения приведены в перечне «Варианты задания».
Требования к отчету
Отчет составляется индивидуально на листах формата А4. При домашней подготовке необходимо изучить содержание работы, провести расчет температуры для своего варианта задания, а основные аналитические соотношения и последовательность расчета внести в заготовленный отчет. Подготовленный для защиты отчет должен содержать:
Теоретическую часть и результаты расчета (домашнюю подготовку),
Эскизы конфигурации систем испарения,
Расчетные формулы,
Последовательность расчетов и распределение абсолютной и относительной толщины по диагоналям подложки,
Анализ результатов,
Ответы на контрольные вопросы.
6. Контрольные вопросы
Чем определяется максимально возможная толщина пленки при термовакуумном испарении?
Какие соотношения связывают толщину пленки с температурой испарителя?
Как испаряют порошкообразные материалы?
Какие типы испарителей применяют для испарения порошковых материалов?
Что такое сублимация?
Какие требования предъявляются к материалам испарителей?
При каких условиях происходит послойный рост пленки при испарении?
Как происходит испарение с поверхности твердой фазы?
©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-12-12