Физика Тонких Пленок

Современное состояние исследований и технические применения. Хасса Г., пер. Tермовакуумное напыление тонких пленок. Тонкие пленки обычно получают методами.

ФИЗИКА ТОНКИХ ПЛЕНОК И МАЛЫХ ЧАСТИЦ Конспект лекций Лекция 1 ВВЕДЕНИЕ Понятие тонкопленочного состояния вещества. Малые частицы, кластеры. Основные определения, Применение тонких пленок в различных областях науки, техники, технологии. Программа курса, особенности прохождения. Методические указания студентам. Основная и дополнительная литература. Свойства тонкой пленки могут сильно отличаться от свойств массивного материала, особенно если толщина пленок очень мала.

Эти отличия обусловлены спецификой структуры пленки, которая, очевидно, обусловлена процессами, происходящими во время формирования пленки. Пленку можно получить с помощью таких простых процессов, как ковка или прокатка массивного куска материала. Но как правило, тонкие пленки получают путем осаждения атом за атомом, например путем конденсации из паровой фазы или электролитическое осаждение металлической пленки из раствора. Получение пленок с помощью напыления или газотранспортных реакций представляет наибольший интерес с практической точки зрения.

Конденсация означает переход из газообразного состояния в жидкое или твердое. С точки зрения термодинамики, для того, чтобы происходила конденсация необходимо, чтобы парциальное давление соответствующего газообразного материала было равно или больше равновесного давления паров этого материала над конденсированной фазой при данной температуре. Конденсация начинается с соединения нескольких адсорбированных атомов в небольшие скопления, которые называются зародышевыми центрами, или зародышами, а процесс их образования – зародышеобразованием. Процесс увеличения зародышевого центра и образование, в конце концов, однородной пленки называется ростом пленки. Часто образование зародышей и их рост происходят одновременно в процессе образования пленки. Процесс конденсации нельзя рассматривать просто как случайное падение на подложку липких шариков (атомов или малых частиц, состоящих из группы атомов), которые прилипают там же, где упали. Напротив, адсорбированные атомы обладают большой поверхностной подвижностью, и в результате ярко выраженные островки из материала пленки образуются на подложке даже спустя длительное время после образования зародышей.

В конце концов, эти островки сливаются и образуют непрерывную пленку, это происходит, когда средняя толщина пленки составит по крайней мере несколько атомных слоев. Широкое и разнообразное применение тонких пленок в различных научно-технических областях. Архитектура и строительство. Бытовые приборы. Радиоэлектроника, электроника и микроэлектроника. Лекция 2 Падение частиц на подложку, процессы при взаимодействии атомов, молекул и радикалов с поверхностью Падение частиц на подложку, адсорбция и термическая аккомодация, процессы при взаимодействии атомов, молекул и радикалов с поверхностью Во всех теориях зародышеобразования первым этапом считается столкновение атомов или молекул пара с подложкой. В результате столкновения частицы пара могут адсорбироваться и прочно закрепиться на подложке, могут через конечный промежуток времени после адсорбции снова испариться, а могут и мгновенно упруго отразиться от подложки.

В общем случае незаряженные нейтральные частицы (НЧ) пара падают на поверхность с энергиями, значительно большими kT, где T – температура подложки. Поэтому возникает вопрос, сможет ли такая частица, например атом пара достаточно быстро прийти в равновесие с подложкой так, чтобы смогла произойти его адсорбция, или он отразится от подложки, не отдав ей при этом всей своей энергии. В последнем случае, коэффициент термической аккомодации, который определяется как aT = (Ev – Er) / (Ev – E) = (Tv – Tr) / (Tv – T), (1) будет меньше единицы.

Ev – кинетическая энергия атома пара, падающего на подложку; Er – энергия десорбированного атома до установления равновесия с подложкой; E – энергия десорбированного атома после установления равновесия с подложкой; Tv, Tr, T – соответствующие температуры. Мак-Фи и Леннард-Джонс показали, что время, необходимое для того, чтобы падающий атом потерял свою избыточную кинетическую энергию и закрепился на подложке, порядка 2/n, где n частота колебаний решетки в подложке. Таким образом, атом, столкнувшись с подложкой, за несколько колебаний решетки теряет почти всю свою избыточную энергию. Поэтому будем в дальнейшем полагать, что установление равновесия происходит мгновенно. Классификация процессов.

Процессы взаимодействия НЧ с поверхностью можно разделить на группы: - процессы, происходящие на поверхности и в тонком приповерхностном слое и приводящие к адсорбции или отражению первичных НЧ, адсорбированных частиц, внедрению НЧ в приповерхностный слой, нагреву поверхности; - эмиссионные процессы: эмиссия электронов, физическое и химическое распыление, десорбция первичных НЧ и слабосвязанных физически адсорбированных инородных частиц Отражение первичных НЧ. Упругое отражение без изменения кинетической энергии НЧ. Такой процесс наблюдается при энергии падающей на поверхность частицы Е0 от 0,03 до 0,5 эВ. Коэффициент отражения составляет от 10-3 до 10-1 в зависимости от типа НЧ и материала поверхности и растет в этих пределах с уменьшением поляризуемости НЧ. Упругое отражение с обменом кинетической энергией.

Такой процесс наблюдается при Е0 Есв коэффициент распыления весьма низок и может достигать 10–3 – 10–4 из-за низкой энергии НЧ. Процесс можно наблюдать лишь при использовании ионно-лучевых, ионно-плазменных и ионных источников НЧ. Десорбция слабосвязанных инородных частиц. Это процесс удаления с поверхности физически адсорбированных инородных частиц, т.

Частиц с энергией связи ЕСВ = 0,01 – 0,5 эВ. Процесс относится к пороговым, т.

Е0 должно превышать ЕСВ. При их отличии на порядок и более вероятность десорбции превышает 0,5. Адсорбция падающих НЧ. Это процесс прилипания падающих НЧ к поверхности под действием сил связи (притяжения). Силы связи при адсорбции. При приближении НЧ к поверхности на расстояние меньше 10 Å между ней и частицами поверхности возникают силы взаимодействия. Различают три предельных типа сил взаимодействия, приводящих к адсорбции: силы Ван-дер-ваальса, обменные и гетерополярные.

Адсорбцию под действием сил Ван-дер-ваальса называют физической. Силы Ван-дер-ваальса – это электростатически наведенные силы, обусловленные деформацией внешних электронных оболочек.

Они относятся к слабым силам. Энергия связи под действием этих сил составляет 0,01 – 0,3 эВ в зависимости от материала поверхности и рода НЧ. Силы проявляются при приближении НЧ к поверхности на расстояние 3 – 10 Å и относятся к дальнодействующим. Особенностью этих сил является отсутствие у них барьера.

Силами Ван-дер-ваальса в основном обусловлена физическая адсорбция органических молекул, атмосферных частиц, многоатомных молекул и инертных газов. Силы Ван-дер-ваальса в свою очередь делятся на ориентационные, индукционные. Ориентационные силы возникают между частицами с постоянными дипольными моментами. Индукционные силы возникают между частицами с постоянным и наведенным дипольным моментом или наведенным зарядом (для металлических и полупроводниковых поверхностей). Дисперсионные силы возникают при корреляции между флуктуирующими дипольными моментами.

Хасс

При физической адсорбции инертных газов, а также молекул N2, O2, и H2 преобладают дисперсионные силы. При физической адсорбции молекул H2O, CO, и NH3 преобладают ориентационные силы.

Адсорбция под действием обменных сил называется химической или слабой хемосорбцией. Обменные силы возникают при перекрытии электронных оболочек взаимодействующих частиц и обусловлены электронными переходами между НЧ и частицей поверхности. Эти силы проявляются при расстояниях 1 – 3 Å и относятся к короткодействующим. Обменные силы приводят к образованию химической ковалентной связи между НЧ и частицей поверхности. Такая связь образуется двумя электронами с противоположными спинами, принадлежащими двум атомам. Энергия связи – единицы эВ. Для НЧ, совпадающих с материалом поверхности, энергия связи может достигать 30 эВ.

Для молекулярных НЧ возникновение обменных сил требует энергии активации (например, для разрыва замкнутых поверхностных связей или диссоциации падающей НЧ). Для идеальных поверхностей, например, поверхности Si, полученной сколом в вакууме, химическая адсорбция атомов металла происходит без подвода энергии активации. Причем прочность соединения (силицид) выше прочности каждого из материалов в отдельности.

Адсорбция под действием гетерополярных (или кулоновских) сил называется сильной хемосорбцией. Гетерополярные силы возникают при передаче электрона от НЧ к поверхности или наоборот. На поверхности образуется слой ионов, который индуцирует в материале поверхности заряд обратного знака. Под действием гетерополярных сил возникает ионная связь.

Энергия связи превышает эту величину для обменных сил и составляет единицы эВ. Для возникновения гетерополярных сил НЧ должна приблизиться к поверхности на 1 – 2 Å.

Потенциальные кривые адсорбции. Десорбция и миграция. Процесс адсорбции НЧ хорошо иллюстрируется потенциальными кривыми адсорбции, показывающими зависимость потенциальной энергии W НЧ от ее расстояния r до поверхности (рис.

На участках кривых 1 и 2, где dW/dr 0 действуют силы притяжения, при обратном знаке производной – силы отталкивания. Адсорбция, описываемая кривой 1, происходит при столкновении с поверхностью НЧ, не обладающих внутренней энергией (энергия возбуждения и диссоциации).

Примерами таких частиц могут быть молекулы N2, O2, H2, H2O и т. Д., атомы инертных газов, атомы металлов и полупроводников, если материал поверхности не совпадает с родом НЧ. Адсорбция, описываемая кривой 2, происходит для НЧ, имеющих внутреннюю энергию. Такими НЧ являются возбужденные химически устойчивые молекулы, молекулярные радикалы в основном и возбужденном состоянии, атомы, обладающие свободными химическими связями (например, N, O, H, OH) и способные образовать химическое соединение с частицами поверхности. Рис. 2.1. Потенциальные кривые: 1 – кривая физической адсорбции; 2 – кривая химической адсорбции; Wф и Wх – глубина потенциальной ямы или энергия связи для физической и химической адсорбции соответственно; Wa – энергия активации; Iд и Iв – энергия (потенциал) диссоциации и возбуждения соответственно. Рассмотрим особенности адсорбции НЧ, используя кривые рис. 2.1. Физическая адсорбция.

В зависимости от Е0 падающей НЧ возможны следующие случаи: - Е0 Wф. В этом случае произойдет упругое отражение без передачи кинетической энергии. НЧ совершит одно колебание в потенциальной яме и покинет поверхность.

Период колебания t0 порядка 10-12. Если Е0 близкок Wф, то НЧ совершит от 2 до 103 колебаний с уменьшающейся амплитудой и произойдет ее упругое отражение с передачей кинетической энергии. E0 Wф и Wa. В этом случае произойдет внедрение НЧ в поверхность, которое может с малой вероятностью сопровождаться процессом физического распыления или эмиссии электрона.

Е0 равна или немного превышает величину (Wф + Wа). В этом случае частица достигнет точку М, где возможна ее диссоциация и переход полученных радикалов на кривую 2. Частица, попавшая в потенциальную яму, будет находиться в ней промежуток времени, называемый временем абсорбции ta. Ta = t0exp(Qa/RT) Например, для НЧ воздуха при Т = 293 К ta порядка 10–10 с, а при Т = 77 К (температура жидкого азота ta порядка секунды. Для паров воды ta порядка 102 с при комнатной температуре.

По истечении времени t ta происходит самостоятельная десорбция НЧ с поверхности. Если частица покинула поверхность за время t0 Wx + Iд (Iв).

НЧ упруго или неупруго отразится от поверхности с передачей или нет кинетической энергии. E0 Wx + Iд (Iв). Произойдет внедрение НЧ в приповерхностный слой. Графически вид решения представлен на рис. 2.2. Распределение плотности диффундированных в поверхность НЧ для различных моментов времени. Здесь τ2  τ1. Химическое травление (распыление).

Это процесс удаления с поверхности частиц, принадлежащих материалу поверхности, в результате химических реакций между адсорбированными НЧ и частицами поверхности. Необходимым условием процесса является возможность образования «летучих» и стабильных при температуре поверхности Тп химических соединений. Термин «летучее» соединение означает, что при Тп продукт реакции испаряется с поверхности, т. Химическое травление возможно при Тп больше или равной температуре кипения соединения. Большинство металлов, полупроводников, а также их оксиды и нитриды образуют «летучие» соединения с относительно низкой температурой кипения с продуктами диссоциации фтор - и хлорсодержащих газов (CCl4, CF4, SF6, BCl4 и т. Летучими соединениями являютcя: AlCl3, SiF4, TiF4, MoF6, AuCl3 и т.

Температура кипения этих соединений лежит в интервале от 180 К (AlCl3) до 557 К (TiF4). Реакции с образованием летучих соединений могут идти как с участием радикалов, падающих на поверхность, так и с участием молекул, физически адсорбированных на поверхности. В последнем случае должен происходить переход от физической к химической адсорбции путем стимуляции диссоциации потоками электронов, фотонов, ионов. Нагрев поверхности. Ряд из выше перечисленных процессов взаимодействия НЧ с поверхностью сопровождается выделением тепла. Sigerous mod скачать. А именно, процесс неупругого отражения, физического распыления, атомной имплантации, адсорбции, химического распыления. Поскольку эти процессы происходят или на поверхности или на очень малых глубинах, меньших 0,01 мкм, то энерговыделение можно считать поверхностным.

В уравнении теплопроводности необходимо решать одномерную задачу. Решение уравнения теплопроводности всегда приводит к тому, что максимальная температура достигается на поверхности. В некоторых случаях химического распыления, а также для процессов поверхностной ионизации и эмиссии электронов происходит снижение температуры поверхности.

В этих случаях количество выделенной падающими НЧ энергии меньше энергии затраченной на образование летучих продуктов или ионизацию. Лекция 3 Процесс зародышеобразования Адсорбированные атомы могут мигрировать по поверхности, сталкиваясь с другими атомами могут объединяться в малые частицы (кластеры) или иначе называемые зародышами. Они, по сравнению с отдельными атомами, должны быть более устойчивы к повторному испарению. В большинстве теорий постулируется, что как только зародыш достигнет определенной критической величины, в среднем, он уже не распадается на отдельные атомы, а растет. Существуют две основные теории зародышеобразования в тонких пленках, основанные на капиллярной и атомной моделях, которые отличаются в подходе к вычислению энергии образования зародышей.

Существует и третья заслуживающая внимания модель, в которой подчеркивается возможность испарения кластеров с подложки. Капиллярная модель предсказывает, что изменение свободной энергии при образовании зародыша имеет максимум, т. Зародыш по мере роста и прохождения через критический размер имеет минимум устойчивости по отношении к диссоциации в паровую фазу.

Максимум свободной энергии получается в результате конкуренции двух параметров: очень большого отношения поверхности к объему в малых зародышах, из-за которого их устойчивость уменьшается и наличия энергии конденсации (энергии связей между атомами), увеличивающей устойчивость зародышей с увеличением их размера (рис. Таким образом, зародыши, превысившие критический размер, быстро повышают свою устойчивость с каждым присоединенным атомом, и процесс их разрушения и испарения становиться маловероятным. Зависимость свободной энергии образования зародыша от его размера. По-видимому, наилучшей методикой изучения зародышеобразования является проведение процесса осаждения внутри электронного микроскопа, т. Это дает возможность непосредственно наблюдать за образованием кластеров и измерять их размеры.

Размер критического зародыша и следовательно зернистость пленки сильно зависят от природы металла, для тугоплавких металлов (с высокой температурой кипения), таких как W, Mo, Ta, Pt и Ni, даже очень маленькие зародыши являются устойчивыми. У металлов с низкой температурой кипения, таких как Cd, Mg, и Zn, зародыши должны стать достаточно большими, прежде чем они станут устойчивыми, их устойчивость с увеличением размера растет очень медленно, диссоциация или повторное испарение при этом остаются вероятными. Критические зародыши должны иметь бóльшие размеры, если поверхностная энергия конденсируемого материала велика, а материала подложки мала. Чем сильнее связь между адатомами и подложкой, тем меньше критический зародыш и тем больше частота зародышеобразования. Увеличение температуры подложки приведет к увеличению размера критического зародыша. Кроме того, островковая структура будет сохраняться до бóльших средних толщин, чем те, которые соответствуют низким температурам. Увеличение скорости осаждения приводит к увеличению скорости зародышеобразования и к образованию более мелких островков.

Физика Тонких Пленок Хасс Скачать

Непрерывная пленка образуется при меньших толщинах. Зависимость слабая и эффект заметен только при изменении скорости на несколько порядков. Лекция 4 Коалесценция островков На рис. 2.6 показана коалесценция двух круглых островков. Схема изменения формы островков в процессе их коалесценции. Коалесценция длиться менее 0,1 с для малых зародышей и характеризуется уменьшением полной площади проекции зародышей на подложку и увеличением их по высоте. Зародыши с четко выраженными кристаллографическими формами в процессе срастания округляются.

Получившийся островок снова принимает кристаллографическую форму, если он достаточно долгое время не взаимодействует с соседними островками. На стадии зародышеобразования кристаллики, в основном, имеют форму треугольника, после коалесценции приобретают форму шестиугольника, но часто с дефектами. Процесс коалесценции приводит к увеличению свободной поверхности подложки, и к образованию вторичных зародышей между островками. Этот эффект становиться заметным, когда первичные островки вырастают до размеров » 1000 Å, и продолжается до тех пор пока не образуется пленка без дырок. Основным механизмом переноса массы при коалесценции является поверхностная диффузия, второстепенным – объемная. Образование шеек при коалесценции происходит за короткое время около 0,06. Движущей силой коалесценции является уменьшение поверхностной энергии.

После того, как при коалесценции произошло основное уменьшение поверхностной энергии, дополнительное ее уменьшение происходит за счет образования граничных плоскостей с предпочтительной кристаллографической ориентацией. Островок, образующийся в ходе слияния, продолжает менять свою форму в течение довольно длительного времени (рис.2.7). Изменение площади составного островка Au во время коалесценции и после нее на подложке MoS2 при 400 °С. Лекция 5 Критические температуры На процесс повторного испарения очевидно определяющим образом влияет температура подложки, если нет других энергетических воздействий на поверхность.

В эксперименте соответствующую температуру при которой начинает наблюдаться конденсат называют критической Т0. При Т Т0 в начальный период времени конденсация является неполной, т. Рост этих зародышей до сверхкритических размеров с результирующим обеднением адатомами зон захвата вокруг зародышей. Образование критических зародышей на площадях не обедненных адатомами. Зародыши соприкасаются друг с другом и срастаются, с образованием нового островка, занимающего площадь меньше, чем сумма площадей объединившихся зародышей, это приводит к увеличению свободной поверхности подложки.

Атомы адсорбируются на этих освободившихся участках, и наступает процесс «вторичного» образования зародышей. Большие островки срастаются, оставляя каналы или полости в пленке. Каналы и полости заполняются в результате вторичного зародышеобразования и в конце концов образуется сплошная пленка. Основные этапы схематически показаны на рис.

Этапы формирования пленки. Можно выделить 4 стадии процесса роста пленки (по Пэшли): - образование зародышей и островковой структуры (1 – 4 этапы); - срастание или коалесценция островков (5 и 6 этапы); - образование каналов (7 этап); - формирование непрерывной пленки (8 этап). Образование зародышей и островковой структуры. Наименьшие зародыши, которые можно заметить в электронный микроскоп имеют размер » 20 Å. Зародыши растут в трех измерениях, но рост вдоль поверхности подложки как правило значительно более быстрый чем по нормали. Это обусловлено доминирующей ролью в процессе роста поверхностно диффундирующих адсорбированных атомов в сравнении с ролью атомов приходящих на зародыш непосредственно из паровой фазы. Для Ag или Au, конденсирующихся на подложку MoS2 при 400 °С, концентрация первоначальных зародышей составляет 5×1010 см-2, а минимальная диффузионная длина » 500 Å.

Образование каналов. По мере роста островков степень округления после срастания островков уменьшается. Значительные изменения формы ограничиваются областями в непосредственной близости от места соединения. Поэтому островки вытягиваются и образуют сетчатую структуру, в которой конденсированный материл разделен длинными, узкими каналами неправильной формы, шриной 50 – 200 Å. Зарастание каналов происходит по механизму образования вторичных зародышей, их роста и при прикосновении к стенкам канала образуются мостики, которые быстро разрастаются.

В результате образуется пленка со множеством мелких дырок, зарастание которых происходит по аналогичному механизму через образования вторичных зародышей, их срастания, присоединения к пленке, очищение дырки и вновь образования вторичных зародышей и т. До полного заполнения дырки.

На стадии роста пленки, характеризующейся образованием каналов и дырок, вторичные зародыши и островки объединяются с массивными областями относительно быстро, менее чем за 0,1. Формирование сплошной пленки Общий механизм роста поликристаллических слоев похож на механизм роста эпитаксиальных пленок, за исключением того, что срастающиеся островки в этом случае имеют произвольную относительную ориентацию, подчиняющуюся случайному закону распределения. Во время срастания происходит рекристаллизация, поэтому размер зерен растет. Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1. Домашний очаг.:. История:. Окружающий мир:.

Справочная информация.:.:.:.:.:. Техника.:. Образование и наука:. Предметы:. Мир:.:. Бизнес и финансы:.:.:.

Тонкие жидкие плёнки Тонкие жидкие плёнки (ТЖП) -плёнки жидкой фазы a, граничащие с одинаковыми b (симметричные ТЖП) или разными b и b' (несимметричные ТЖП) текучими (жидкими или газообразными) фазами и имеющие столь малую толщину, что взаимодействие их межфазных границ становится существенным. Таким образом, толщина ТЖП сопоставима с радиусом молекулярных корреляций в плёнке и граничащих фазах. Если фаза a - простая жидкость, то в обычных условиях толщина ТЖП составляет порядка неск. Нм, однако достигает значительных размеров при приближении к критическому состоянию граничащих фаз, а также в том случае, когда ТЖП получены из растворов, мицеллярных. К ТЖП по формальному признаку относят тонкие граничные слои жидкости на смачиваемых твёрдых поверхностях (см.

),жидкие прослойки между твёрдыми поверхностями, полимолекулярные адсорбц. Слои поверхностно-активных веществ (ПАВ) на границе двух взаимно нерастворимых текучих фаз. К ТЖП относят также симметричные и несимметричные бислойные мембраны (в частности, бислойные липидные мембраны, образующие основу оболочек живых клеток; см. Клеточные структуры), состоящие из двух плотноупакованных слоев амфифильных молекул, гидрофобные (углеводородные) радикалы к-рых ориентированы внутрь мембраны, а гидрофильные- в сторону граничащих водных фаз. Свойства практически важных дисперсных систем и природных объектов - эмульсий, пен, мицеллярных растворов, дисперсий коацерватных капель, везикул, биологических клеток и др.- определяются свойствами ТЖП, содержащихся в таких системах. Само существование этих систем зависит от взаимодействия между граничащими фазами в ТЖП и устойчивости ТЖП к прорыву. Взаимодействие между дисперсными частицами, реализуемое через ТЖП, а также реологич.

Свойства ТЖП в большей степени влияют на энергетич. Параметры, а также на вязкость, пластичность, эластичность, дисперсных систем (напр., высококонцентрированных эмульсий, высокократных пен, живых клеток), чем реологич. Свойства макроскопич.

Фаз, из к-рых образованы сами частицы. Процессы, а также процессы и явления, происходящие в природе и живых организмах, сопровождаются образованием и разрушением ТЖП. В нек-рых случаях повышение устойчивости к прорыву (времени жизни) ТЖП является необходимым напр., при длительном хранении высококонцентрированных эмульсий - топливных, пищевых, фармацевтич.

И др., при транспортировании по трубопроводам нефтяных и битумных эмульсий, при движении эритроцитов по кровеносным сосудам, при пожаротушении (с помощью пен или смачивающих плёнок). Процессах, напротив, с помощью разл. Воздействий время жизни ТЖП должно быть уменьшено (напр., при слиянии биол. Клеток, направленном транспорте по кровотоку нагруженных лекарственными средствами липо-сом в определ. Органы, 'прицельном' разрушении их оболочек и высвобождении лекарственных средств, при собирании плёнок нефти на поверхности водоёмов, образовании пен в биотехнол.

Реакторах, разрушении 'соапстоков', образуемых в процессе рафинации растительных масел). Формирование тонких жидких плёнок Формирование тонких жидких плёнок может быть условно разбито на неск. Характерных этапов, протекающих с разл. При относительно большом расстоянии между сближающимися поверхностями текучих частиц (много большего радиуса действия поверхностных сил; рис. 1, а)вязкость, и др.

Свойства образующей жидкой 'толстой' (не тонкой по определению) плёнки идентичны свойствам макроскопич. Жидкой фазы а, из к-рой образована плёнка. Утоньшение такой жидкой плёнки описывается Навье - Стокса уравнениями гидродинамики с граничными условиями, учитывающими капиллярные эффекты (деформируемость межфазных поверхностей, поверхностные реологич.

Свойства адсорбц. Слоев ПАВ и их, возникновение градиентов электрич. Зарядов и величины ПАВ, приводящие к градиенту межфазного натяжения, и др.).

Основные этапы формирования ТЖП при сближении двух капель или пузырьков: а-взаимное сближение межфазных поверхностей в условиях гидродинамического течения жидкой фазы a; б- образование относительно толстых (т. Обычных чёрных) плёнок толщиной H c f и радиусом r c f; в- термические флуктуации толщины ТЖП, приводящие к их прорыву (коалесценции капель) или к образова нию чёоных пятен (т. Ньютоновских чёрных плёнок) толщиной Р N f( г), которые увеличиваются в разме ре, в результате чего ТЖП достигает pавновесного размера радиусом r N f(д). Зависимость расклинивающего давления П ( H f) ТЖП от её толщины H f; a-различные составляющие расклинивающего давления (пунктирные кривые) и результирующая изотерма расклинивающего давления ( сплошная линия); б -тонкая плёнка воды, стабили зированная ионами ПАВ; в - ТЖП, стабилизированная адсорбционными слоями макромолекул. При утоньшении жидкой плёнки до нек-рой толщины H c f взаимодействие между межфазными поверхностями становится заметным (рис. 1, б), и описание кинетики утоньшения такой, уже тонкой по определению, плёнки требует учёта т. Расклинивающего давления П ( H), к-рое представляют в виде суммы независимых друг от друга вкладов поверхностных сил разл.

Природы: молекулярного притяжения П мол( H), ионно-электростатич. Отталкивания между ДЭС - двойными электрич. Слоями - П ДЭС( H) и контактного (стерического) взаимодействия между адсорбц. Слоями ПАВ П ст( Н) рис. 2; о термодинамич.

Определении П ( H) см. Ниже: По соглашению, П( Н) считают положительным, если поверхности отталкиваются, и отрицательным, если они притягиваются. Изотерму П мол ( H) для ТЖП можно представить в виде где A-т. Постоянная Гамакера, учитывающая дисперс. Взаимодействия между молекулами макроскопич. Учёт эл-магн. Запаздывания для взаимодействующих молекул приводит к зависимости В макроскопич.

Теории межмолекулярного взаимодействия (E. Дзялошинский, Л. Питаев-ский) П мол( H) рассчитывается путём суммирования энер-гетич. Спектра эл-магн. Флуктуации в граничащих конденсированных средах в рамках квантовой статистики на основе спектральных характеристик конденсированных фаз.

Для расчёта П дес( H) используются разл. Соотношения, выведенные на основе разл.

Моделей и механизмов образования ДЭС (рис. 1, б) и взаимодействия между ними. Сложности расчёта связаны в осн.

С неопределённостью значения поверхностной плотности в процессе сближения межфазных поверхностей. В случае слабого перекрытия диффузных частей ДЭС П ДЭС( Н)обычно представляют в виде где e 0-электрич. Постоянная (диэлектрич. Проницаемость ); e-относительная среды ТЖП; е - заряд электрона; g=th( ey 0/4 kT); y 0 - потенциал межфазной поверхности на границе с диффузной частью ДЭС; K= 1 /R D, дебаевский радиус, c i и z i - концентрация и валентность i-го противоиона (рис. Непосредственный (стерический) контакт между двумя адсорбц. Слоями ПАВ возникает на расстояниях порядка молекулярных размеров и приводит к т.н. Стерическому отталкиванию между межфазными поверхностями, описываемому изотермой: где а и b - коэффициенты ( 1 /b имеет порядок длины молекулярной корреляции).

Физика Тонких Пленок Хасс

В общем случае результирующая изотерма расклинивающего давления П имеет дальний и ближний коагуляц. Минимумы глубины П 1 и П 2 соответственно и коагуляц. Барьер высоты П b (рис. При достаточно высоком электрич.

Потенциале y 0 межфазных поверхностей и низкой концентрации противоионов высота барьера П b может значительно превышать разность давлений в фазах a и b и образуются т.н. Обычные чёрные плёнки - ТЖП с относительно большой толщиной H c f ( H c f - меньшe четверти длины видимого света; такие плёнки не отражают свет и потому в отражённом свете кажутся чёрными). При увеличении c i или снижении y 0 высота барьера П b снижается и в обычных чёрных плёнках спонтанно возникают участки т.н. Чёрных плёнок толщиной H c f, значительно меньшей H c f, или происходит коалесценция текучих фаз b т. Прорыв ТЖП (если макс. Значение П ст H, где k - волновое число, что позволяет использовать ур-ния Навье - Стокса для одно-врем. Описания вязкого ламинарного течения жидкости из плёнки при её утоньшении и волнового движения припо-верхностных слоев.

В рамках второго подхода, к-рый применяют для описания прорыва ньютоновских чёрных плёнок (в т. Бислой-ных мембран), ТЖП представляют в виде существенно 'дефектной' среды, пронизанной термофлуктуационно возникающими и исчезающими 'дырками' разл. Работу их образования представляют в виде где g-натяжение плёнки (мембраны) - отнесённый к единице площади избыток свободной энергии системы (большого термодинамич. Потенциала при постоянных температуре T и компонентов -линейное натяжение мембраны - отнесённый к единице длины периметра 'дырки' избыток свободной энергии системы. При возникновении дефекта критич.

Размера происходит его неогранич. Рост и прорыв ТЖП.

Термодинамическое описание тонких жидких плёнок Свойства ТЖП отличаются от свойств жидкой фазы a, и ТЖП не могут считаться фазой в точном термодинамич. Смысле, поскольку они неоднородны по толщине и характеризуются значит. Градиентами локальных плотностей соответствующих экстенсивных термодинамич. Свойств - свободной энергии, энтропии, массы.

Описание ТЖП основано на методе избытков Гиббса, позволяющем представить большой термодинамич. Потенциал W системы, содержащей ТЖП, в виде суммы объёмной части W V, относящейся к макроскопич. Фазам, и поверхностного избытка W f, отнесённого к разделяющим поверхностям в плёнке. В общем случае ТЖП образует вместе с граничащими с ней макроскопич. Фазами многокомпонентную систему объёмом V, содержащую N i молей каждого i-го компонента ( i = 1, 2., n; n - число компонентов в системе).

В состоянии термодинамич. Равновесия абс. Темп-pa T и хим. Потенциалы m i компонентов ТЖП равны во всех частях системы, а площадь А и толщина H ТЖП поддерживаются постоянными с помощью внеш. Сил, к-рые уравновешивают давления P a и P b в фазах a и b и натяжение плёнки g.

Если можно пренебречь силой тяжести, то фундам. )для симметричной плоскопараллельной ТЖП имеет вид где S-энтропия системы. Поверхностный избыток W f из ур-ния (6) можно выделить, используя два подхода: метод мембраны нулевой толщины и метод слоя конечной толщины. Метод мембраны нулевой толщины заключается в условной замене открытой системы, содержащей ТЖП, на энергетически эквивалентную ей систему (референтную, по Гиббсу, систему, см.

Физика Тонких Пленок

),в к-рой ТЖП заменена на разделяющую (по Гиббсу) поверхность, т. Поверхность, хотя и имеющую нулевую толщину, однако характеризующуюся конечными значениями поверхностных плотностей свободной энергии, энтропии и массы. Весь объём V системы при этом считается заполненным фазой b: V= Vb Мембранный метод описания ТЖП используется в том случае, когда толщина плёнки не является экспериментально измеряемым параметром. Как и в случае свободных межфазных поверхностей, все экстенсивные параметры системы представляются в виде суммы объёмных частей, относящихся к фазе b, и поверхностных избытков, отнесённых к мембране f. В результате для случая плоскопараллельной ТЖП получаем два фундам. Ур-ния — одно для референтной фазы другое для мембраны f: Из ур-ний (7) и (8) получается термодинамич.

Определение натяжения для плоской мембраны: Применяя теорему Эйлера об однородных функциях, можно получить выражение для поверхностного избытка большого термодинамич. Потенциала а также Гиббса — Дюгема уравнение для мембраны в к-ром —отнесённые к единице поверхности мембраны избытки чисел молей i-ых компонентов (величины адсорбции i-компонентов относительно мембраны) и энтропии соответственно. Ур-ние (9) составляет термодинамич.

Основу для вычисления натяжения мембраны а также др. Поверхностных избытков путём дифференцирования малого канонического (при постоянных Т и Ni) и большого канонического (при постоянных Т и ) ансамблей (см. ),выражаемых через потенциалы межмолекулярного взаимодействия и молекулярные функции распределения. При этом учитываются энергия теплового движения атомов, молекул и ионов, энергия ван-дер-ваальсовых сил и сил эл-статич. Взаимодействия ионов и ионогенных групп в молекулах, а также сил бор-новского отталкивания и водородных связей.

В рамках статистич. Механики можно определить и прямым вычислением компонентов тензора давления, усреднённых по микроскопич. Объёмам жидкостей среды путём суммирования возможных межмолекулярных взаимодействий. Основа метода—представления локальной (микроскопич.) термодинамики (или гидродинамич. Приближения), согласно к-рым соотношения макроскопич. Термодинамики выполняются в каждом сколь угодно малом микроскопич.

Элементе объёма анизотропной и неоднородной среды, какой является ТЖП. В отсутствие внеш.

Значение обобщённого тензора давления должно удовлетворять условию равновесия: откуда следует, что нормальная к поверхности плоской ТЖП компонента тензора давления не зависит от координаты z (рис. 3, а), а тангенциальная компонента является сложной функцией координаты z (рис. 3, 6), причём в объёме фазы имеет место равенство Для симметричной плоской ТЖП натяжение плёнки у вычисляется как поверхностный избыток объёмного тензора напряжений, т.

Удельной (отнесённой к единице длины) силе, действующей в плоскости мембраны перпендикулярно ограничивающей её линии: Для искривлённых ТЖП (в отличие от плоских) натяжение зависит от способа локализации разделяющей поверхности (мембраны). В частности, для сферич. ТЖП натяжение зависит от произвольно выбранного радиуса разделяющей поверхности: здесь —радиус сферич. Поверхности, проведённой в объёме фазы В общем случае искривлённой (несферической) мембраны её механич. Состояние характеризуется отличными от нуля изгибающим В и скручивающим моментами, величины к-рых зависят от способа определения радиуса R мембраны.

Ур-ние механич. Равновесия такой мембраны (ур-ние Гиббса — Кельвина, или обобщённое ур-ние Лапласа) имеет вид где —средняя и дифференциальная (по Гиббсу) кривизны соответственно.

Учёт механич. Моментов становится существенным при термодинамич. Описании ТЖП с низким и сверхнизким значениями (напр., для бислойных липидных мембран, образующих оболочки клеточных структур и везикул). В случае сферич. ТЖП и если разделяющая поверхность выбрана т. О., чтобы (т. Поверхность натяжения радиуса по Гиббсу), то ур-ние (15) обращается в обычное ур-ние Лапласа: Метод слоя конечной толщины для тонких жидких плёнок Метод слоя конечной толщины используется при термодинамич.

Описании ТЖП в том случае, когда толщина плёнки H-измеряемый параметр. Условно полагают, что объём ТЖП V f = AH заполнен жидкой фазой a, а объём V b= V- V f-текучей фазой b. Давление в референтной жидкой фазе a внутри плёнки полагают равным давлению P a в объёмной фазе a, а все экстенсивные параметры представляют в виде суммы соответствующих параметров, отнесённых к объёмным фазам a и b,и поверхностных избытков, отнесённых к двум разделяющим поверхностям площади А: где Г is-величина адсорбции i-го компонента (удельного избытка числа молей i-го компонента, отнесённого к одной из разделяющих поверхностей), h s-межфазная энтропия при толщине плёнки H.

Ур-ние для двух разделяющих поверхностей плоскопараллельной плёнки толщиной H где s-межфазное натяжение, П - расклинивающее давление. О., в рамках метода слоя конечной толщины допустима механич. Интерпретация s (как отнесённой к единице длины избыточной поверхностной силы, действующей параллельно поверхности плёнки) и П (как отнесённой к единице площади и направленной перпендикулярно к ТЖП силы взаимодействия между разделяющими поверхностями в плёнке). Для симметричной плоской ТЖП межфазное натяжение s, вычисляемое как поверхностный избыток объёмного тензора напряжений со стороны объёмных фаз a и b, отнесённый к одной из разделяющих поверхностей в ТЖП (рис. 3, г): зависит от субъективного выбора толщины плёнки H. В отличие от s, расклинивающее давление П, к-рое при данном физ.

Состоянии ТЖП однозначно определяется давлениями P a и P b является инвариантом, не зависящим от способа определения H. Из ур-ния (18) и можно получить ур-ние, связывающее s и П: к-рое в термодинамике ТЖП наз.

Ур-нием Гиббса - Дюгема. При разведении межфазных поверхностей плёнки на бесконечно большое расстояние, отвечающее условию П = 0, ур-ние (22) обращается в известное ур-ние Гиббса - Дюге-ма для плоских (невзаимодействующих) межфазных поверхностей: (индекс '0' означает отсутствие взаимодействия между поверхностями).

Работа силы расклинивающего давления П при разведении разделяющих поверхностей единичной площади от H до бесконечности (при постоянных m i и T) наз. Удельной свободной энергией взаимодействия в ТЖП толщины H. Она равна и инвариантна относительно локализации разделяющих поверхностей в ТЖП, т. Не зависит от выбора способа определения толщины плёнки в методе слоя конечной толщины. Линейное натяжение в тонких жидких плёнках Термодинамич.

Описание микроскопически малых ТЖП напр., круглых ТЖП, возникающих между двумя капельками эмульсии (рис. 4, а) требует учёта неоднородности поверхностных сил, действующих в т. Переходной области плёнки, т. В той области, где плёнку уже нельзя назвать тонкой.

Если в плоскопараллельной области расклинивающее давление П положительно и постоянно по величине, то в переходной области, где разделяющие фазы поверхности начинают искривляться, расклинивающее давление испытывает резкое изменение как по величине, так и по знаку, обращаясь в нуль в области объёмной фазы a. Профиль Н(r)плёнки в этой области становится сложной функцией переменного расклинивающего давления, так же, как и межфазное натяжение s, определяемое из ур-ния (25). Вследствие невозможности в большинстве случаев точного измерения действит. Профиля плёнки Н(r)принято использовать разл.

Референтные модели ТЖП в этой области, к-рые основаны на использовании т. Идеализированного профиля плёнки Н и( r), совпадающего, по определению, с профилем поверхности, имеющей постоянные ср. Кривизну и межфазное натяжение s 0 в области объёмной фазы a, и экстраполируемого на переходную область при условии равенства нулю П. Свободной энергии взаимодействия DW( H f) где H f-толщина плоскопараллельной области круглой симметричной плёнки, идеализированный профиль Н и( r)образует с плоскостью плёнки контактный угол q f, при этом r f принято считать радиусом круглой плёнки. В этом случае используют референтную модель, основанную на представлении о плёнке как о слое жидкой фазы a конечной толщиной H f (рис. 4), ограниченном двумя круглыми разделяющими поверхностями радиусом r f каждая, характеризующимися межфазным натяжением s f=s( H f) определяемым ур-нием (25), и двумя боковыми поверхностями с постоянной средней кривизной и межфазным натяжением s 0, ограничивающими переходную область.

Руководство по нефтяным измерительным стандартам. ГОСТ Р 8.595-2002 ГСИ. Масса нефти и нефтепродуктов. Общие требования к методикам выполнения. 2) предлагаемый метод градуировки информационно-измерительных систем (АС). Api 2540 Руководство по нефтяным измерительным стандартам (таблица 54А, главы с 11.1.54.1 по 11.1. Совершенствование методов и средств учета нефтепродуктов в процессах транспорта.

Представляя свободную энергию (большой термодинамич. Потенциал W и при постоянных m i и T) референтной модели ТЖП в виде суммы объёмной (W V), поверхностной (W A) и линейной (W L) частей и используя условие энергетич. Эквивалентности реальной ТЖП и её референтной модели W=W и, получаем где и -объёмы фаз, А и - площадь боковой поверхности референтной модели, t-линейное натяжение (является по смыслу линейным избытком W L свободной энергии системы, отнесённым к длине окружности плёнки радиусом r f и имеющим размерность Дж/м).

Из ур-ния (27) вытекает условие механич. Равновесия контактной (разделяющей по Гиббсу) линии радиусом r f под действием поверхностных сил: к-рое допускает механич. Интерпретацию линейного натяжения как силы, действующей вдоль контактной линии, стремящейся её удлинить (при t0 или сократить (при t0). Если идеализированный профиль H и( r) пересекает плоскость z = 0 в точке r f 0 под контактным углом q 0, то используют т. Мембранную модель ТЖП (рис. 4, б); в этом случае выражение для свободной энергии примет вид где -линейное натяжение мембраны (по смыслу - линейный избыток W Lсвободной энергии системы, отнесённый к длине окружности мембраны радиусом r f 0 и имеющий размерность Дж/м). Соответствующее уравнение механич.

Равновесия контактной линии примет вид допускающий динамич. Интерпретацию как силы, растягивающей (при или сжимающей (при контактную линию, а -как 'двумерного капиллярного давления', действующего в плоскости мембраны. Ур-ния (28) и (30) обычно используются для эксперим. Определения линейных натяжений путём измерения зависимости контактных углов q f и q 0 от радиусов r f и r f 0 круглой плёнки. Несмотря на чрезвычайно низкие абс.

Значения линейного натяжения (согласно различным оценкам, его вклад в энергетику процессов, происходящих в коллоидных системах, размеры частиц в к-рых менее 10 -7 м (напр., при гетерогенном зародыше-образовании на твёрдых и жидких субстратах, нуклеаци-онном образовании дырок в мембранах, адгезии жидких и газообразных коллоидных частиц и др.), может оказаться существенным и требующим учёта. Литература по тонким жидким плёнкам. Бабак В.

Г., Термодинамика плоскопараллельных эмульсионных и пенных пленок, 'Успехи химии', 1993, т. 14;. Бабак В. Г., Термодинамика свободных и взаимодействующих искривленных межфазных поверхностей в жидких пленках, там же, 1993, т. 747;. Бабак В. Г., Стерическая стабилизация микроскопических жидких пленок адсорбционными слоями полимеров, там же, 1994, т.

228;. Бабак В. Г., Линейное натяжение в термодинамике тонких жидких пленок, там же, 1992, т.

1777;. Rowlinson J. S., Widom В., Molecular theory of capillarity, Oxf., 1982;.

Thin liquid films. Fundamentals and Applications. Y.- Basel, 1988.

Знаете ли Вы, что, когда некоторые исследователи, пытающиеся примирить релятивизм и эфирную физику, говорят, например, о том, что космос состоит на 70% из 'физического вакуума', а на 30% - из вещества и поля, то они впадают в фундаментальное логическое противоречие. Это противоречие заключается в следующем. Вещество и поле не есть что-то отдельное от эфира, также как и человеческое тело не есть что-то отдельное от атомов и молекул его составляющих. Оно и есть эти атомы и молекулы, собранные в определенном порядке.

Физика Тонких Плёнок / Хасс Г

Также и вещество не есть что-то отдельное от элементарных частиц, а оно состоит из них как базовой материи. Также и элементарные частицы состоят из частиц эфира как базовой материи нижнего уровня. Таким образом, всё, что есть во вселенной - это есть эфир. Из него состоят элементарные частицы, а из них всё остальное.

Подробнее читайте. НОВОСТИ ФОРУМА Рыцари теории эфира - 18:15: -КаримХайдаров. 09:33: -КаримХайдаров. 08:37: -КаримХайдаров. 04:24: -КаримХайдаров. 05:10: -КаримХайдаров.

15:26: -КаримХайдаров. 05:02: -КаримХайдаров. 18:16: -КаримХайдаров. 07:24: -КаримХайдаров.

05:48: -КаримХайдаров. 19:04: -КаримХайдаров. 14:57: -КаримХайдаров.