培训系列之1(巴德纯)真空技术概况

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1、主讲人：巴德纯一.真空技术概况（巴德纯）二.真空工程理论基础（张世伟）三.干式真空泵原理与技术基础（巴德纯）四.真空系统组成与设计基础（刘坤）五.真空获得设备原理与技术基础（张以忱）六.真空测量技术基础（刘玉岱）七.真空镀膜技术基础（张以忱）八.质谱原理与真空检漏（刘玉岱）九.真空冶金技术基础（王晓冬）十.真空与低温技术及设备（徐成海）东北大学第八期东北大学第八期培训系列之培训系列之一一.前言前言 二二.真空的概念与真空技术的发展真空的概念与真空技术的发展三三.真空技术的应用真空技术的应用 四四.结束语结束语“真空技术”作为独立的学科体系，诞生于19世纪末20世纪初。20世纪中期，随着电子器件

2、、原子能、航天技术对真空条件的需求，推动了真空技术的长足进步。前 言真空技术的开创与发展现在，在我们身边利用真空技术的日用品到处可见。例如真空保温杯，保温饭盒，暖水瓶；在食品方面就更多了，如真空罐装液体，真空挤奶，真空干燥食品，真空包装，真空炸制食品等，举不胜举。前 言真空包装机压差力的利用如电除尘器，高楼擦玻璃的机器人，板材的运输等（如Al板、Cu板、玻璃板的运输）。前 言玻璃板的运输家用吸尘器电子管和电视显像管（电子束管），利用绝热效果的不锈钢制的罐、杯、碗，真空包装食品，真空下使之干燥的食品等为代表的物品。前 言电子管真空保温杯，保温饭盒 前 言太阳能电池相机镜头o另一方面，直接利用真空

3、的制品也有很多，真空蒸发和真空涂层技术制作的透镜、玻璃、反射镜、太阳能电池、各种LSI（大规模集成电路）等。现在最尖端的科学技术的进展，很多受真空技术所支配的。人类的最终的能源是核聚变，探索物质结构的大型粒子加速器，今后会更加发展，预期航天技术等大科学中适用高度的真空技术，再有超晶格等新材料的合成，真空技术是不可缺少的。前 言粒子加速器托克马克装置 前 言真空技术是和这些最尖端的科学技术相辅相成发展的。例如热聚变的研究需要有超高真空环境、容积100m3以上的真空容器的制造，真空度有很大提高。现在10-11Pa的极高真空很容易去获得。这样一来，真空技术从日用到最尖端的科学技术得以广泛的适用。真空

4、技术与尖端技术结合在此，首先说明真空的概念及其发展经过，其次叙述真空的获得技术和检测技术的要点，最后对所有的真空应用领域加以具体实例来说明。与真空有关的作为大科学的核聚变、大型加速器和宇宙航天技术，这些简要的加以说明。前 言2.1 2.1 何谓真空何谓真空 2.2 2.2 真空技术的历史真空技术的历史2.3 2.3 真空的获得和测量技术真空的获得和测量技术 真空的概念与真空技术的发展真空的定义真空的定义:比大气压低的压力状态，不是任何东西都没有的虚无的空间。从比大气压（约105Pa）低的状态到虚无的绝对真空（0Pa）为止的宽广的领域。表示真空的程度的基准是必要的。压力和温度分别为1个标准大气压

5、、0时，1摩尔的气体分子有22.4升的体积存在的场合，把它称为标准状态标准状态。真空的概念与真空技术的发展作为表示真空的单位，现在用Pa（帕斯卡）作为单位，原来的是用Torr（托）作为真空的单位，现在均统一用Pa。Pa与Torr的关系如下：1Torr=133Pa 760Torr=105Pao从地表向上的高度的真空度如图1所示。宇宙飞船飞行的压力约为10-5Pa，月亮与地球中间的压力约为10-7Pa，然而在银河系的边界（边缘）处的压力为10-14Pa。真空的概念与真空技术的发展图图1 1 地表以上的真空度地表以上的真空度 真空的概念与真空技术的发展近代科学的开花期的17世纪，托里拆利、波义耳和哥

6、里克等人建立了空气动力学法则和真空泵的开发。o表1所示为第二次世界大战以前真空技术的历史。真空的概念与真空技术的发展年年作者作者科学技术科学技术1643年 托里拆利760mmHg上的真空1650年 帕斯卡大气压力随高度而变化，活塞式真空泵1654年 波义耳定律理想气体的压力与体积的关系1738年 Bernoulli气体分子运动论1775年 Lavoisier大气的空气是N2和O2的混合物1802年 盖吕萨克定律气体体积温度定律1810年 Medhurst第一条真空邮递线1811年 阿佛加德罗气体恒定的分子密度1843年 Samuda第一条真空铁路（都柏林）1850年 Toepler汞柱真空泵1

7、859年 Maxwell气体分子速度分布定律真空的概念与真空技术的发展年年作者作者科学技术科学技术1865年 Sprengel汞滴下真空泵1874年 Mcleod压缩式真空计1879年 Edison碳丝白炽灯1879年 Crookes阴极射线管1878年 W.Gaede在德国诞生1881年 Van der Waals真实气体状态方程1893年 Dewar真空绝缘瓶1902年 Fleming真空二极管1905年 Gaede旋转汞真空泵，Leybold使泵企业化1906年 Pirani热传导真空计真空的概念与真空技术的发展年年作者作者科学技术科学技术1907年 Forest真空三极管1909年 C

8、oolidge钨丝白炽灯，钨的粉末冶金1909年 Gaede发明旋片旋转泵（Gaede型泵）1909年 Knudsen气体分子流1911年 Gaede分子真空泵发明1915年 CoolidgeX射线管1915年 Gaede汞扩散泵发明S0.10.2L/s1916年 Langmuir冷凝扩散泵发明S35L/s1916年 Buckley热阴极电离计真空的概念与真空技术的发展年年作者作者科学技术科学技术1923年Holweck盘形分子泵1923年Gaede全金属三级汞扩散泵制造S60L/s，20Torr1935年Gaede气镇真空泵，机械泵气镇原理发明1936年Hickman分馏式油扩散泵1937年

9、Penning冷阴极电离计1950年Bayard和Alpert超高真空计（称BA计）1953年Schwartz离子泵1953年Herb等吸气离子泵发明真空的概念与真空技术的发展年年作者作者科学技术科学技术1951年Vacuum创刊（英国）1964年JVST创刊（美国）1958年第一次国际真空会议1961年第二次国际真空会议1955年Heraeas公司机械增压泵1958年Hall溅射离子泵真空的概念与真空技术的发展由于真空技术的飞速发展，用炭素灯丝发明了白炽灯泡（1875年），为了使灯丝的寿命长，使灯泡内含O2少而采用真空抽气的办法。霓虹灯制作设备霓虹灯制作设备白炽灯泡白炽灯泡真空的概念与真空技

10、术的发展o20世纪初，人们在真空泵的开发上狠下功夫。因而，真空获得技术格外进步，出现大型蒸发用真空装置和大型的加速器。o图2所示为真空容器的容积与真空度的发展过程，容器的尺寸和真空度都有很大增加和提高。真空的概念与真空技术的发展图图2 2 真空容器的容积与真空度的发展真空容器的容积与真空度的发展真空的概念与真空技术的发展 历史上有确切记载的，可以认为真空技术的历史开始于1643年。当时，托里拆利（Torricelli）将一端密封的长管注满水银并倒置在盛有Hg（汞）的槽里时，发现了密封的玻璃管中760mm水银柱顶端产生的真空。托里拆利实验真空的概念与真空技术的发展真空技术的初创时期延续到电灯泡的

11、发明。在这段时期内，在气体定律的基本原理方面，取得了重大的理论和实践的科学技术突破。如玻义耳-马里奥特，查理，盖.吕萨克，伯努利，阿佛加德罗，麦克斯韦，玻尔兹曼等人的成就。【玻义耳-马略特定律】它反映气体的体积随压强改变而改变的规律。对于一定质量的气体，在其温度保持不变时，它的压强和体积成反比；或者说，其压强P与它的体积V的乘积为一常量。【伯努利与气体分子运动论伯努利与气体分子运动论】伯努利伯努利明确地叙述了气体分子气体分子运动论运动论，认为气体作用在容器壁上的压力，可以用大量的分子快速地来回运动来解释。小知识真空的概念与真空技术的发展真空实际使用的第一个进展，是和利用真空与大气之间的压力差所

12、产生的机械作用力联系在一起的。葛利克用一个由两个半球合成直径为119cm球体，内用真空泵抽空，在大气压力作用下在其两边各用8匹马而不能拉开的这个经典实验证明了大气的力量。（此即所谓的马德堡半球实验）。后人把这个原理用于真空邮递线和真空铁路运输。马德堡半球实验真空的概念与真空技术的发展爱迪生对白炽灯的研制（1879年）也是早期发明排气系统所产生的结果。（Toepler,Sprengel）白炽灯表明了低分子密度的用途（除去大气的活性组分）。麦克劳真空计（1874年）第一次使测量低压成为可能。高精度直立式麦氏真空计 真空的概念与真空技术的发展克鲁克斯（Crookes，1879）的阴极射线管是增大了的

13、平均自由程的第一次利用。而杜瓦瓶（Dewar，1893）则是真空绝热的首次使用。克鲁克斯与阴极射线管杜瓦瓶示意图真空的概念与真空技术的发展真空二极管（1902）、三极管（1907）以及钨丝（1909）的发明，开始了电子管的研制，并使白炽灯的研制日益成熟。在白炽灯生产中使用的真空的“质量”在电子管的新领域内显得不足，这就促使真空的获得和测量得到进一步发展。早期的真空二极管、三极管真空的概念与真空技术的发展皮拉尼真空计、盖德、朗缪尔的汞扩散泵以及热阴极电离真空计为高真空技术的发展提供了可能。汞扩散泵热阴极电离真空计真空的概念与真空技术的发展高真空技术的发展一直延续到第二次世界大战前后。在19351

14、936年间取得了三项新成果：气镇泵、油扩散泵以及冷阴极电离真空计。这些成果，直至现在仍是大多数真空系统的常用部件。冷阴极电离真空计油扩散泵原理图真空的概念与真空技术的发展1940年以后真空技术在核技术研究（回旋加速器、同位素分离等），真空冶金，真空镀膜，冷冻干燥设备方面有了很大进展，如1955年机械增压泵的出现。到1950年，真空度一般能达到10-410-5Pa，或许达到更低的压强但还不能测量。1950年B-A真空计的出现，为测量更低的压强开辟了道路，进入超高真空领域。1953年出现的离子泵能获得更低的压强，即所谓的“清洁真空”出现。在过去的几十年间，为完成最尖端科学技术的需要，真空技术向大容

15、量化、高真空化和高清洁化的方向发展。真空的概念与真空技术的发展真空度的不同，获得和测量技术也有很大的不同。首先，从获得的压力来看，从低真空到极高真空来分类如表2所示。低真空105102Pa中真空10210-1Pa高真空10-110-5Pa超高真空10-510-8Pa极高真空10-8 Pa以下表表2 2 真空的分类真空的分类真空的概念与真空技术的发展真空获得的方法可分成以下三类。（1）利用机械力的真空泵；（2）利用蒸汽喷射的真空泵；（3）利用表面现象的真空泵。这些泵的工作范围如图3所示。真空获得的方法真空获得的方法真空的概念与真空技术的发展压力（Pa）压力（Pa）泵的种类泵的种类机机械械泵泵蒸蒸

16、汽汽喷喷射射泵泵其其他他油封机械泵油封机械泵机械增压泵机械增压泵涡轮分子泵涡轮分子泵水银扩散泵水银扩散泵油扩散泵油扩散泵油喷射泵油喷射泵蒸汽喷射泵蒸汽喷射泵溅射离子泵溅射离子泵低温泵低温泵吸附泵吸附泵10-610210-210-4 4104100图图3 3 各种真空泵的工作范围各种真空泵的工作范围真空的概念与真空技术的发展各种泵可能达到的压力和抽速是组成真空系统所必须的。另外，欲获得高的真空度，适当的使用多台泵是必要的。超高真空状态的实现单用泵来抽是不行的，表面吸附的气体要烘烤除气或放电情况是必要的。极高真空的获得要使用低温泵，对于真空容器的材料的选择和内壁的处理是必不可少的。真空的概念与真空

17、技术的发展罗茨真空泵组罗茨真空泵组真空的概念与真空技术的发展真空的压力测定方法在较高压力时（1051Pa）利用压力差U型管压力计，麦克劳真空计，薄膜计，弹簧管压力计等。在10310-2Pa的中间压力范围，利用气体性质（热传导，粘性）的变化而做成的皮氏计、粘性真空计。在低压力时，使用将气体分子电离而测量的电离真空计。真空的概念与真空技术的发展真空计的名称可测的压力范围（Pa）水银压力计（U型管）105102油压力计（U型管）3*1031麦克劳真空计（一般型和特殊型）10310-3弹性变形真空计105102隔膜真空计（机械式）105102隔膜真空计（电气式）10510-3电离真空计（三极管型）10

18、-110-5表3 真空计的适用压力范围真空的概念与真空技术的发展真空的概念与真空技术的发展真空计的名称可测的压力范围（Pa）超高真空用B-A型10-210-6极高真空用热阴极磁控计10-510-10高真空用（舒尔茨型）1010-2冷阴极真空计110-5皮拉尼真空计10410-2热电偶真空计10210-1热敏电阻真空计10210-1粘性真空计110-5克努曾真空计10-110-5续表3 真空计的适用压力范围真空技术的应用o3.1 3.1 真空的利用真空的利用 o3.2 3.2 与真空技术有关的各种工业与真空技术有关的各种工业 o3.3 3.3 在大型的极限科学技术方面的应用在大型的极限科学技术方

19、面的应用 从电气除尘器到食品的真空包装等日常应用，到薄膜合成，核聚变，加速器，宇宙航行领域为止，真空技术得到广泛的应用。真空技术的应用真空技术应用极其广泛真空技术应用极其广泛真空技术的应用压力压力10-7（Pa）10-1010-110210-4105低低真真空空中中真真空空高高真真空空超高超高真空真空极高极高真空真空真空应用领域真空应用领域液体的输送液体的输送液体的过滤液体的过滤减少空气粘性阻力减少空气粘性阻力真空干燥真空干燥热电子源热电子源高温金属防止氧化高温金属防止氧化避免与残留分子碰撞避免与残留分子碰撞不纯物残留气体的减少不纯物残留气体的减少残留气体分子防止残留气体分子防止在表面上堆积在

20、表面上堆积除尘器除尘器真空吸取器真空吸取器真空包装真空包装真空冶金真空冶金真空管真空管核聚变装置核聚变装置薄膜技术薄膜技术高纯物质的处理高纯物质的处理表面的研究表面的研究超晶格等新材料合成超晶格等新材料合成（外抽或（外抽或 自吸式）自吸式）真空区域真空区域图4 各种真空区域的特征和应用的范围真空和大气压力差的利用从最古老的马德堡半球开始。真空可以减少气体分子密度、除去有害成分。提高真空度对制作薄膜以及表面分析技术有很大的帮助。真空状态下制作的等离子体和电离合成新材料非常盛行。现在极限科学技术都与真空技术有很强的依赖关系。真空技术的应用 例如：用电子显微镜等表面分析仪器探究极微物质的构造；新的粒

21、子的发现用的大型加速器；放射光利用的物性研究；极高真空下的超晶格的制作；宇宙开发；核聚变装置。真空技术的应用真空度的提高（极高真空10-12Pa）和真空容器大型化（例如宇航的微重力试验的真空系统真空室1700m3），今后新的尖端科学技术的发展对此要有所考虑。真空技术的应用空间环境模拟室利用目的利用目的应用实例应用实例压力差压力差吸尘器、污水吸引、高空燃烧试验装置、吸尘器、污水吸引、高空燃烧试验装置、风洞、垃圾收集设备风洞、垃圾收集设备去除有害物去除有害物灯泡、真空熔炼、真空练泥设备、真空成膜、灯泡、真空熔炼、真空练泥设备、真空成膜、蒸馏、干燥、脱气蒸馏、干燥、脱气绝热绝热真空加热炉、真空挡板、

22、宇宙空间模拟室真空加热炉、真空挡板、宇宙空间模拟室减少碰撞减少碰撞电子管、电子显微镜、加速器、质量分析仪、电子管、电子显微镜、加速器、质量分析仪、表面分析装置表面分析装置放电放电激光、荧光灯、离子束装置、溅射装置、激光、荧光灯、离子束装置、溅射装置、核聚变等离子体、等离子体装置、霓虹灯招牌核聚变等离子体、等离子体装置、霓虹灯招牌清洁表面、清洁表面、新材料的新材料的合成（薄膜、合成（薄膜、表面改性）表面改性）人工晶格、半导体制作、薄膜合成减压化学蒸人工晶格、半导体制作、薄膜合成减压化学蒸发（发（CVDCVD）、等离子体）、等离子体CVDCVD、离子注入、离子注入、LSILSI的的微细加工、超晶格

23、、分子束外延生长微细加工、超晶格、分子束外延生长真空技术的应用真空技术的应用o电子工业的材料合成电子工业的材料合成o表面分析仪器表面分析仪器o光学光学o垃圾（灰尘）的真空输送垃圾（灰尘）的真空输送o能源利用技术及机械工业能源利用技术及机械工业o药品与食品药品与食品真空技术的应用真空真空食品工业食品工业干燥、蒸馏、浓缩、干燥、蒸馏、浓缩、脱气、野菜的真空脱气、野菜的真空冷却、真空包装、冷却、真空包装、真空贮藏真空贮藏金属工业金属工业金属的蒸馏脱气、金属的蒸馏脱气、烧结、铸造、烧结、铸造、熔解（电弧炉等）熔解（电弧炉等）焊接（电子束等）焊接（电子束等）淬火表面处理淬火表面处理与真空技术有关的各种工

24、业领域及其应用实例 电子工业的材料合成 真空技术的应用 从1975年到1980年，电子器件和半导体关联的产业甚为盛行，为此溅射装置、蒸发装置、刻蚀装置、CVD装置的需求很旺盛。真空磁控+离子束溅射镀膜机 1984年开始，半导体不景气持续到1986年为止。在此期间，半导体及电子器件的制造商积极的研究、投资新的成膜装置，例如磁盘、显示器用的成膜装置的开发。具体来说，各种物理溅射装置反应溅射装置、反应性离子刻蚀装置、离子束蒸发装置、分子束外延生长装置、等离子体CVD装置、光CVD装置等。这些装置用于大面积集成电路、电子器件、LSI用掩膜、透明导电膜、薄膜晶体管、液晶显示器等的生产。真空技术的应用液晶

25、显示器大规模集成电路真空技术的应用 表面分析仪器 评价新材料、各种薄膜的表面特性用的表面分析技术，有了超高真空条件才可能实现。从1965年以来，低速电子衍射装置的开发，这以后又使用俄歇电子分光法。为此，固体表面的原子组成很容易得知，X射线电子分光法适用固体的化学结合状态的观察。其它很多表面分析仪器的开发，对固体表面的组成、结合、结晶构造能比较详细的了解，材料的开发和物性的研究与发展作出很大贡献。真空技术的应用薄膜分析仪(膜厚、折射率等)真空技术的应用 光学 真空技术的应用 在二次世界大战时，为了透镜或棱镜的增透光，在真空中蒸发氟化镁作防反射膜的试行制造。以后，照相机行业也用真空蒸发作防止反射膜

26、。对于玻璃行业，在真空下各种表面处理技术的应用，例如遮阳玻璃、隔热玻璃、太阳电池用的透明导电玻璃、防云玻璃，反射镜的制作，无论是真空蒸发还是溅射制造及CVD制造均得到使用。真空技术的应用幕墙玻璃幕墙玻璃相机镜头哈勃太空望远镜 垃圾（灰尘）的真空输送 真空技术的应用 应用真空罐在大气压力下流入空气来输送物质的吸引式空气输送装置，真空技术的各种用途加以利用了。特别是将分布的物质集中一点时，这种真空输送的方式非常便利。大面积分布的尘土收集起来，真空技术很适用。在某一设定时间，底板开始动作，吸气阀门打开输送管内空气流动。排气阀门打开，由于输送管内运空气流聚集中心的垃圾到分离器集中有（35）*104Pa

27、的真空度，透平风机获得真空。在日本国内已经有20个成套机械设备，在全世界有200成套机械设备在建设。“象鼻”真空吸尘机真空硬地垃圾清洁机真空技术的应用 能源利用技术及机械工业 真空技术的应用 太阳能电池用的非晶硅膜（a-Si:H），这种膜用等离子体CVD、光CVD、热CVD、反应溅射等方法制造。另一方面，作太阳热发电用的反射镜，为了很好的利用太阳光的效率，选择透过膜和选择吸收面，用蒸发法和溅射法来制作。非晶硅太阳能电池o 药品与食品 为了分离和精制，真空蒸馏、冷冻干燥、真空冷却、真空浓缩、真空解冻、真空除臭、真空发泡、真空含浸等均适用，日用品也有很多用真空技术的。真空蒸馏设备真空冷冻干燥设备真

28、空技术的应用真空技术的应用o作为大型的极限科学技术，有宇宙工程学、加速器、核聚变等。o在宇宙工程学方面，人造卫星的热设计和制造的可靠性的验证，数百m3的宇宙模拟室。o就排气而言，有油封机械泵、机械增压泵、低温泵、涡轮分子泵等组成系统加以使用。o再有人造卫星的推进力用的离子发动机，在宇宙飞船室内试验。o在宇宙空间内飞行体背面的尾流能获得极高真空的空间，得到10-14Pa的真空度，利用该空间可以计划作分子束外延生长的超晶格的制作等。真空技术的应用o高能物理的领域内新的粒子的发现和物质最终构造的探索。大型加速器的利用，在美国，直径为10km以上的质子、反质子碰撞的储存环的建设，在加速器方面，为了粒子

29、束的很少损失，要求超高真空，排气系统非常大而且复杂。真空容器的材料的放气必须要很好去控制。为此，抑制放气的铝合金材料也已开发了。大型粒子加速器真空技术的应用o为了核聚变的开发，现在大型核聚变装置托 克马克装置内产生高温等离子体进行聚变反应实验。在核聚变装置中，容器体积约1000m3左右。o防止向等离子体中混入不纯物，要求极限真空达到约10-7Pa。现在的装置有几千L/s的抽速，持有数台分子泵排气。超高温等离子体，控制从容器放出的气体。o烘烤或放电清洗技术。核聚变研究内壁的清洗技 术有所进展。o除其它真空系统适用之外，核聚变的真空系统是大型的超高真空系统，在超高温条件下使用。因而真空技术得到高度

30、发展。结束语o真空的基本概念及其发展过程已介绍，真空获得技术和测量技术作了介绍，各领域的应用举例也叙述了。作为超大型真空系统的核聚变装置、粒子加速器、宇宙模拟等真空技术也作了介绍。o真空技术近10年间的发展，核聚变装置及加速器的研究，几百m3超高真空容器的制造，10-11Pa的极高真空也能简单的获得。真空技术在各领域的应用不断扩大。等离子体技术、离子束技术、溅射技术已得到发展。由这些技术带来了LSI、新材料合成、薄膜合成、表面改性等方面的进展。o今后，作为一项尖端科学技术，真空技术将不断发展并在各领域扩大其用途。主讲人：东北大学 杨乃恒 教授人类认识外部世界是从感观开始，用肉眼看到周围物体，借

31、助各种望远镜探测宇宙，借助各种显微镜观察微小世界。人类早已认识到物质是由原子构成的。如果研究对象是由无穷多个原子组成的，即物体再增加或减少一小部分原子，都不会影响物体的性质，这类物体我们成为宏观物体或块体。这类物体和它们相关的物性，我们称为宏观世界。组成宏观物体的原子、分子和更小的基本粒子构成了微观世界。介于宏观世界和微观世界之间还存在一个介观世界。将描述这个范围的科学称为 现在人们将这个范围的结构和特性，它们通常的尺寸范围为1-100nm（纳米），把它称为纳米世界。人们研究纳米物体的结构和特性，为此发展了纳米科技。它也是一代新科技的代名词。纳米有多小？描述宏观大小的最小单位是毫米、克、秒。人

32、眼能看到的是可见光波长范围为320-760nm，耳朵能听到的声波的振动频率范围为20-20000Hz，可感触的是环境温度范围为-100-200。在这个范围内，人类是可以感受的，通过视听触摸可能分辨。我们称这个范围的参量为人类感知参量。在人类感知参量中，长度单位是m，千分之一为mm，毫米的千分之一为m，微米的千分之一是nm（纳米）。如果将1m与1nm相比，就相当于地球与一个玻璃球大小相比。一根头发直径约为80m，即80000nm，如果一个汉字写入尺寸为10nm，那么在一根头发丝直径上写入8000字，对于这样小尺寸的信息记录和加工，还有很多科学技术问题，这就是纳米科技领域中所要研究的课题之一。这个

33、例子说明纳米科技的世界虽小，却有大量和丰富的科学与技术问题，很多事情超出了我们现今的认识和想象。有限个原子比如小于100万（106）个原子构成的纳米粒子，尺寸约为30nm，可见一个小纳米粒子也仍然含有很多原子，通常称这个纳米粒子为原子团。原子团在原子结构、电子结构和力学特性上都将不同于原子，分子块体材料，具有很多奇异特性。这里所说的原子机构是指构成材料原子间的键长、键角和晶格结构，电子结构是指能带结构、量子态和逸出功等。纳米粒子有很大的表面体积比，即位于粒子表面的原子数比例较大。比如1cm3的金（Au）含有1022个金原子，处于表面的金原子数约为1015个。相当于1000万个原子中只有1个原子

34、是在表面上。若有个金原子团含有1000个原子，则大约有600个原子处于表面位置，这个原子团中原子的表面体积比为60%，原子数越少的原子团，表面体积比越大。这种现象称为大的表面体积比，也称为具有大的比表面。在表面的原子存在没有抓住相邻原子的化学键，称为悬挂键。悬挂键容易抓住外来原子，形成一种稳定结构，因此悬挂键多的材料具有活性。原子团中原子排列与相同元素块体不同，处于表面的原子倾向向外扩张，因此原子团中相邻原子间距增大。块体金的原子间距为0.29nm，而原子团金原子间距要大些。大多少与原子团中原子数有关，原子团是否稳定也与原子数有关。比如通常13个原子构成的原子团是稳定的，而取走一个原子，剩12

35、个原子，则12个原子的原子团将很快破碎，这个现象称为原子团爆炸。有的科学家在试验将一个稳定的原子团置于癌细胞中，用光或电脉冲打掉一个原子，让原子团爆炸，像炸碉堡那样从内部炸掉肿瘤。科学家将那些稳定原子团中的原子数称为原子团的魔数。通常会有13、55、147个原子的原子团是最稳定的。这种行为表明了纳米材料的奇特性质和复杂性。纳米科技就是研究这些不同于块体的，也不同于原子的奇特性质，以便能为人类所利用。将原子团压成块体，或加入别的材料中构成复合材料，将呈现出新的材料特性，可得到零温度系数材料（即不随温度的变化发生热胀冷缩），硬而不脆的陶瓷，以及具有多种活性的材料，等等。通常将纳米材料分为两大类：功

36、能材料和结构材料。功能材料主要是纳米尺寸的原子团、纳米线、纳米带等，多用于制造催化、杀菌、清洁、隐身、燃料等材料和信息器件。结构材料是由纳米粒子、纳米线、纳米带等压成的块体。或加入其它材料中构成的复合体，利用纳米粒子的活性表面和界面的奇异特性，构成新型的人造材料。功能原子团材料，因为其体积小，在常温常压下，由于布朗运动，它是悬浮在空间或液体中的。因此，在使用这种材料时，特别要注意这个飘浮特性，不要造成对于人类环境和身体的污染、侵害。特别是由于纳米材料很小，小到可以容易地通过各种渠道，如呼吸系统、五官、甚至皮肤的毛囊孔进入人体内部，所以它是比空气中的粉尘危害更大的污染。研究纳米科技一定要注意，千

37、万不可制造危害人类和自然环境的。纳米结构材料，有的加工成本很高，其产品进入市场时，必须考虑成本的因素。比如纳米玻璃，增加了强度，失去了脆性；目前的成本远高于黄金的价格。纳米科技将会给人类带来很多惊奇。如果将我国13亿人的名字登录下来，每个名字平均三个字，将过40亿汉字，按现行普通书的容量，若每本40万字将会是1万本书，而用纳米记录技术，在三根头发上就是足够写上13亿人的名字。谈论纳米科技时，必须意识到纳米科技具有更多的人造品格，即许多材料和性能是自然界不存在的，一些功能材料和器件是人造的。人造的东西中，很多是仿自然的，但又超出了自然。在19世纪末和20世纪初，人类学飞鸟，但始终没学成真正象鸟那

38、样飞。可是人类造出了飞机，甚至火箭，不仅能过海跨洋环球飞行，而且还能飞出地球，登陆月球，探测火星远远超出了鸟的飞行能力。在某种意义上，今天人类开始教鸟学习飞行。美国有一种候鸟，叫做红鹤，还有411只，其中只有一只还按季节迁徙，其中410只依赖人类喂养，忘记了迁徙的本能。美国野生动物保护协会为了训练红鹤恢复本能，造了一架专门的直升飞机，跟着那只还能迁徙的鸟，引导其它红鹤进行迁徙飞行训练。社会学家说我们现在面临信息时代，可以说信息社会或智能工具就是从纳米电子器件的研制开始的。纳米电子器件将更加有力地改造自然，也更深刻地改造人类自己。这将是人类社会的巨大进步。在一万年以前开始了农业革命，人类开始使用

39、工具，200年前发生工业革命，人类使用具有动力的工具，不久的将来，信息革命，使用具有智能的工具。纳米科技将是人类制造智能工具的基础。因此它是信息时代的高科技。1997年计算机“深兰”战胜了国际象棋大师卡斯帕罗夫。他对此失败不服，要求再战，“深兰”更有任务未成。2001年新浪网报道10月12-11月1日将举行新一轮的人机大战。这次由新一代的国际象棋大师克拉姆尼克与“深兰”的下一代对阵。计算机每秒能思考2亿步，而人的大脑每秒只能想3步。在这一点上人的失败几乎是注定的，但人脑复杂的综合智能，还不是目前计算机能比的。总之，随着计算机的发展，人类的优势越来越少。20世纪是人类科学技术发展最辉煌的100年

40、，当今计算机的基本组件是微电子的超大规模集成电路，发展的下一代是纳米电子器件的超高密度集成电路，出现的工具不只是计算机，更主要的是具有智能的自动器（机器人），它与更高性能的计算机，构成人类广泛使用的智能工具。到那时，人类不仅从繁重的体力劳动中解放出来，而且从紧张的脑力劳动中解放出来，在改造自然上有更强大的能力。有人统计，有人类以来在改造地球上，已经搬动的土石量相当于中国的25座泰山，其中20世纪的100年就搬动了20座。这说明人类改造自然的能力越来越强。如果人掌握了智能工具，改造自然的力量和速度都将是极其惊人的。有人预言，纳米科技充分发展后，人类将会造出一个物种为人类使役的智能机器人。那时，使

41、人类从劳动中得到解放。纳米科技是新世纪高科技的重要领域。因此受到人们的广泛重视，中国尤甚之。根据IUVSTA的划分，现代真空的分支学科包括：经典真空技术、真空冶金、等离子体科学与技术、薄膜、电子材料和加工工艺、表面科学、应用表面科学、纳米科学与技术。纳米科技形成独立学科领域是在20世纪90年代。1990年在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科技会议，成立了常设机构顾问委员会。中国是其成员之一。将纳米科技的研究范围分为6个部分：纳米电子学、纳米物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米机械学、纳米测量学。这个划分没有将纳米材料作为一个独立的学科，是因为各个学科都与材料有关。纳米电子学是微电子学发展的下一代

42、。1993年8月在莫斯科召开第二界国际纳米科技会议。1996年在北京召开了第四届国际纳米科技会议，2000年在德国举行第六届国际纳米科技会议。两年一次的国际纳米科技例会，将陆续开下去。2001年1月18日成立了中国纳米科技指导协调委员会，制订了发展中国纳米科技的计划。如何发展我国科技，周光召主席说“纳米科技是对未来科技产业有重大影响的，富有挑战性的新领域，惟有的不断创新，我们的国家和民族才能在21世纪走上一条迎头赶上先进的独特的道路。靠引进和模仿是没有出路的。”在纳米科技中，纳米电子学处于特殊重要地位，它是微电子学发展的下一代。陈芳允院士说：“纳米电子学”，研究的对象不仅尺寸是纳米的，而且信号

43、处理时间是纳秒的，信号功率是纳焦的。他主张用过去搞“两弹一星”的精神来发展中国的纳米电子学工程。对纳米科技的认识，当今有两大障碍：一是科技工作者的传统观念，二是普通人的思想简单。所谓传统观念主要指用现有的知识去设想未来的纳米科技，自然就出现什么纳米卫星、蜻蜓飞机、蚂蚁士兵之类的说法。曾有人研究小型卫星，称50kg左右的称为微米卫星，小于20kg的称为纳米卫星。这与纳米科技根本没有关系。之所以有此看法，就是人们对纳米科技无知，用仅有的知识去猜想而闹出笑话。在纳米科技被媒体炒热时，人们难免上当受骗，假的纳米科技，将其产品推向市场，可以赚钱。实际那个产品根本不是纳米科技，对此要警惕，防止受害。目前国

44、内有关纳米产品进入老百姓家，如纳米水、纳米化妆品、纳米内衣、纳米洗衣机、纳米冰箱等产品的功效令人怀疑，令人担心，对我们老百姓一定要增强科学意识，探查究竟，保护自己。纳米科技主要研究纳米尺寸材料的特异结构和性质，利用它为人类服务。人类将搬动原子，改造世界。扫面隧道显微镜（STM）是打开纳米世界的一把钥匙。STM是劳雷尔和宾尼格首先发明的，他们于1986年获得诺贝尔奖。STM能直接观察原子尺度的结构，具有原子分辨能力。将一金属针尖电极靠近样品表面，样品与针尖之间加一个电场，有电流在两电极之间隧道穿通过。当针尖沿样品表面扫描时，由于样品表面结构起伏，使得针尖与样品间的距离S在改变，相应的电流更敏感的

45、改变，记录这个变化，并将其显示在计算机的荧光屏上，得到了样品表面的形貌图像。这就是STM的工作原理。图1 扫描隧道显微镜(STM)原理图 (1A=10-10m=0.1nm)我国中科院庞世瑾教授（东北大学兼职博士生导师）主持的北京真空物理实验室，用电流脉冲工作模式搬动Si（111）77表面的原子，写出了“中国”字样，被认为是国际水平的技术，大长了中华民族的志气。如2，3，4，5，6，图所示。o图2 正负偏压下Si（111）77表面原子像图3 Si(111)77表面结构模型o图4 可变温度超高真空扫描隧道显微镜o图5 在Si(111)面上操纵原子些汉字图6 搬动原子写中国主讲人：东北大学 杨乃恒

46、教授在航天器中的科学实验装置和服务系统要求高真空条件的可利用周围的空间真空环境抽气来达到要求；特殊的微重力实验装置，要求在10-8Pa时必须另加抽气机组抽气；在微重力（10-5g）条件下，要求极高真空10-10Pa时，必须采用分子屏试验平台技术，用于分子束外延在空间生长半导体薄膜和超导薄膜等。航天器在宇宙空间就是一个气源，放气、出气和生气等，以航天器表面附近的气体密度是周围环境气体密度的2.53倍。在200km的高空，离表面2米远处的气体分子密度是表面气体密度的十分之一。（1）航天器周围由于大气分子碰壁引起的压力公式式中P为航天器表面附近的压力P0为大气环境压力为与坐标的夹角 （航天器速度与气

47、体最可几速度之比，对在轨航天器Sm1）在航天器的前方 ，压力最大的为在航天器后面（2）航天器出气后附近形成的压力在航天器后面P0，因而出气就成了主要的气源。如各表面均匀出气，再考虑u=8 10km/s的飞行速度。利用三维蒙特卡罗法计算出周围气体分子密度分布的等位线。（见图1）航天器出气率4.110-6Pal/(cm2s)，航天器前面和侧面的气体压力高出环境压力0.5倍，而后部出气形成的压力较低，接近环境压力。（1）高真空容器的在轨排气在舱中的高真空容器（微重力加工炉）常用管道接到航天器外，利用环境真空抽气。当管道口背向飞行方向时，从管道扩散出的气体将将飞向空间不再返回。这类抽气、真空容器的压力

48、为式中PL为容器的极限压力；Q为容器的出气量；v为管道的通导；P1为（1）式表示的由环境大气在排气口附近造成的压力；P2约等于（0.51）P0当排气口背向飞行方向时P10，因而Pl主要取决于Q和 v。由于管道阻力限制，Pl实际上只能达到（2）超高真空容器的排气当舱内真空容器要求超高真空是，利用环境真空达不到要求，把带真空泵的抽气系统和环境真空抽气系统结合起来，环境真空抽气做真空泵抽气的前级抽气系统。所用的超高真空泵体能要小、重量轻、能耗低，多将泵装在容器中，如常用离子泵，表面吸气泵和微型涡轮分子泵等。分子屏试验平台是一种能够达到极高真空条件的材料试验平台（见图2）。可用绳、带连接在航天器上也可

49、组装在大型空间站上。为了能使平台内达到低于10-11Pa的极高真空，分子屏多设计成开口结构，可以是半球形、锥形、柱形或角形等。利用 的条件是空间环境对分子屏产生理想的抽速，使屏内外分子压力相差7个数量级左右。在200300km的地轨道上，分子屏可获得10-11Pa10-12Pa（H2），10-16Pa（对其他气体）的极高真空环境。利用分子屏进行材料加工和分子束外延生长有如下优点：1）能获得极高真空条件；2）空间环境对它的抽速很大；3）器壁出气的影响很小。典型的5m直径的分子屏，利用太阳能烘烤后，304不锈钢的出气率降到10-12Pal/(cm2s)。在实际的飞行轨道上，分子平均自由程在400米以上，远远大于分子屏的尺寸，在分子屏上反射的分子对分子屏周围环境的干扰可以忽略不计。只有航天器的速度u时，屏内分子密度0，以宇宙速度飞行的分子屏内分子密度有个下限。高度为2001000km时其压力下限为（12）10-12Pa。这种利用分子屏的实验还处于初级阶段，文献报导是制造纯钍的最优方法。分子屏真空室没有各种泵和管道的污染，是一种极为清洁的真空室。这种利用分子屏的实验还处于初级阶段，文献报道是制造纯钍的最优方法。课程结束谢谢 谢谢 大大 家！家！E N DE N D演讲完毕，谢谢观看！