|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Эффузия |
 | |
Анимация
Описание
Если стенки одной части сосуда поддерживать при температуре T1, а второй - при температуре T2, то плотность потока молекул из первой части сосуда во вторую можно определить по формуле:
,
а из второй в первую соответственно с помощью выражения:
,
где 
и 
- средние скорости молекул в первой и во второй частях сосуда, зависящие от температур T1 и T2;
n1 и n2 - соответственно концентрации молекул в этих частях сосуда.
Будем считать, что молекулы, движущиеся в отверстии навстречу друг другу, не сталкиваются между собой. Тогда подстановка в эти формулы выражений для средней скорости молекул и зависимости концентрации молекул n и от давления P и температуры T для идеального газа позволяет определить суммарную плотность потока j = j1 - j2 из первой части сосуда во вторую:
, (1)
где P1 и P2 - давления газа в первой и во второй частях сосуда соответственно.
Формула (1) описывает процесс эффузии разреженного газа через маленькое отверстие в перегородке между двумя частями сосуда, газ в которых имеет соответственно температуры T1 и T2 и давления P1 и P2. Эта формула является приближенной, справедливой с точностью до постоянного множителя порядка единицы.
Выражение (1) позволяет получить условие, при котором разреженный газ в двух частях сосуда будет находиться в равновесии. Полагая в формуле (1) плотность потока j равной нулю: j = 0 имеем:
. (2)
Из формулы (2) следует, что если температуры стенок в двух частях рассматриваемого сосуда различны, то в состоянии равновесия давление разреженного газа в этих частях будет так же различным. В части сосуда с большей температурой стенок давление газа так же будет большим.
Условие равновесия разреженного газа (2) существенно отличается от аналогичного условия для не разреженного газа, длина свободного пробега молекул которого много меньше характерного размера диаметра трубки. Для такого газа, как известно, равновесие наступает при равенстве давлений в обеих частях сосуда.
Одним из следствий выражения (2) является то, что если давления P1 и P2 были первоначально одинаковыми, то вследствие эффузии газ начнет перетекать из области с более низкой температурой, в область с более высокой. Это явление называется тепловой эффузией.
При эффузии частиц в сверхвысокий вакуум из эффузионной ячейки поток частиц:
Ф = nV/4,
где n - число частиц в единице объема;
V - средняя скорость.
Поскольку скорость V пропорциональна Т 1/2, то поток частиц пропорционален n и Т 1/2.
Ключевые слова
Разделы наук
Применение эффекта
Молекулярно-лучевая эпитаксия представляет собой процесс эпитаксиального роста тонких слоев различных соединений за счет реакций между термически создаваемыми молекулярными или атомными пучками соответствующих компонентов и поверхностью подложки, находящейся в сверхвысоком вакууме при повышенной температуре.
На рис. 3 показана упрощенная схема молекулярно-лучевой эпитаксии.
Схема установки молекулярно-лучевой эпитаксии
Рис. 3
Обозначения:
I - зона генерации молекулярных пучков;
II - зона смешивания испаряемых элементов;
III - зона кристализации на подложке;
1 - блок нагрева;
2 - подложка;
3 - заслонка отдельной ячейки;
4 - эффузионнные ячейки основных компонентов пленки;
5 - эффузионнные ячейки легирующих примесей.
В сверхвысоком вакууме создаются молекулярные пучки с помощью эффузионнных ячеек, температура которых тщательно контролируется, как правило, с помощью ЭВМ. Интенсивности пучков определяются температурами эффузионнных ячеек. Выбирая должным образом температуры подложки и ячеек, получают эпитаксиальные пленки требуемого химического состава. С помощью заслонок можно быстро изменять потоки различных веществ, создавая резкие профили состава и легирования. Однородность состава пленки и ее кристаллическая структура определяется однородностью молекулярных пучков по площади подложки.материалов.
Молекулдярно-лучевая эпитаксия - основная технология для получения полупроводниковых гетеролазеров, созданных Ж. И. Алферовым (Нобелевская премия 2000 г.) и его коллегами.
Реализации эффекта
Техническая реализация эффекта
Для разделения газовых смесей, в частности смесей изотопов, нашло применение явление изотермической эффузии. Это явление заключается в том, что газ из смеси, молекулы которого легче, более интенсивно проходит через пористую перегородку, чем газ, имеющий более тяжелые молекулы. Изотермическая эффузия нашла применение, в частности, для разделения изотопов урана при его обогащении.
Схематическое изображение центральной части эффузионной ячейки, используемой в современной системе молекулдярно-лучевой эпитаксии, позволяющей многослойные полупроводниковые структуры для твердотельной электроники показано на рис. 1.
Эффузионная ячейка (центральная часть)
Рис. 1
Обозначения:
1 - конический тигель из пиролитического BN, графита или стеклоуглерода;
2 - нагревательное устройство с «перегретым концом»;
3- радиационные экраны;
4 - термопара W/R.
Однородность толщины и состава пленок, выращиваемых методом молекулдярно-лучевой эпитаксии, зависят от однородности молекулярного пучка по площади подложки. Указанные величины зависят не только от плотности отельных пучков в центре подложки, но и от геометрии системы источники-подложка. На рис. 2 показано соосное (a) и несоосное (b) расположение с эффузионной ячейки относительно подложки.
Расположение эффузионной ячейки относительно подложки
Рис. 2
Обозначения:
1 - эффузионная ячейка;
2 - подложка.
В разреженном газе имеет место радиометрический эффект - отталкивание от нагретой поверхности (пластины) другой, более холодной пластины. Если длина свободного пробега молекул газа сравнима или меньше расстояния между пластинами, то происходит непосредственный перенос импульса молекулами газа от горячей пластины к холодной, что и приводит к появлению силы отталкивания.
При высоком вакууме сила отталкивания пропорциональна давлению газа, а при низком - обратно пропорциональна этому давлению.
Литература
1. Сивухин Д.В. Общий курс физики. - М.: Наука, 1990. - Т.2. Термодинамика и молекулярная физика. - С. 378-393.
2. Эффузия. Физическая энциклопедия. - М: Большая российская энциклопедия, 1998. - Т.5. - С. 646.
3. Херман М. Полупроводниковые сверхрешетки. - М.: Мир, 1989.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |
