1、表表 面面 物物 理理 学学江 颖量子材料中心1. 清洁表面的获得清洁表面的获得1.1 超高真空的意义超高真空的意义1.2 清洁表面的获得手段清洁表面的获得手段2. 分子束外延简介分子束外延简介3. 外延生长外延生长3.1 外延生长的定义外延生长的定义3.2 外延生长的动力学过程外延生长的动力学过程4. 反射式高能电子衍射反射式高能电子衍射5. 分子束外延应用实例分子束外延应用实例超高真空技术简介 超高真空基础 超高真空的获得 超高真空的测量 超高真空检漏超高真空基础真空分类P 10-6 Pa (10-8 Torr)超高真空超高真空(Ultrahigh Vacuum)技术技术 获得清洁表面的前
2、提获得清洁表面的前提 为什么需要超高真空技术？为什么需要超高真空技术？anc41由气体动力学方程，单位体积的气体分子与单位金属表面的碰撞频率由气体动力学方程，单位体积的气体分子与单位金属表面的碰撞频率n单位体积内气体分子个数单位体积内气体分子个数ca平均速度平均速度mTkcBrms/32而均方根速率为而均方根速率为又有又有rmsacc2/1)3/8(TnkPBTkPnB2/1)2/1 (TmkPB得到得到当当P的单位取的单位取torr，T的单位取的单位取K，m由分子量由分子量M取代，有取代，有2/1)/(1051. 322TMP(cm-2 s-1)N2分子量为分子量为28，室温，室温293 K
3、，1 torr压力下，压力下， = 3.88 1020 cm-2 s-1典型固体表面原子密度约为典型固体表面原子密度约为1015 cm-2 ，假设碰撞到表面上的分子，假设碰撞到表面上的分子完全被吸附，则形成一个单层在完全被吸附，则形成一个单层在10-6 torr的压力下仅需的压力下仅需3s 在气压为在气压为10-10 Torr 或或 10-11 Torr 时，吸附单分子层的时间将达几时，吸附单分子层的时间将达几小时到几十小时。小时到几十小时。除了极少数特例外除了极少数特例外(Au,石墨石墨)，所有的清洁表面都必须在超高真空，所有的清洁表面都必须在超高真空中获得和保持。中获得和保持。平均自由程
4、Continuous flow (d)Flow ranges in vacuum d：分子球直径n：气体密度 超高真空为各种表面科学为各种表面科学研究、材料生长研究、材料生长和器件应用的基和器件应用的基础础表面结构、能态表面结构、能态表面化学反应表面化学反应表面吸附和生长动力学表面吸附和生长动力学表面纳米结构的制备和物性表面纳米结构的制备和物性磁性薄膜磁性薄膜分子自组装薄膜分子自组装薄膜半导体薄膜精确掺杂半导体薄膜精确掺杂分子束外延生长分子束外延生长大规模集成电路大规模集成电路溅射镀膜溅射镀膜l1958年，第一界国际技术会议建议采用年，第一界国际技术会议建议采用“托托”(Torr)作为测量真空
5、度作为测量真空度的单位。国际单位制的单位。国际单位制(SI)中规定压力的单位为帕中规定压力的单位为帕(Pa)。l1标准大气压标准大气压(1atm)1.013105Pa(帕帕)l1Torr1/760atm1mmHgl1Torr133Pal1bar 1标准大气压标准大气压l1mbar100Pa在表面科学中，用在表面科学中，用L(langmuir)表示气体在样品表面的暴露量，表示气体在样品表面的暴露量，定义：定义：1L = 10-6 torr s例如：当系统压力为例如：当系统压力为10-6 torr ，通入某气体的时间为，通入某气体的时间为1秒，则暴露量为秒，则暴露量为1L*常用物理量常用物理量Mu
6、lti-probe UHV systemMini-UHV system超高真空的获得系统的极限压强 真空壳体及其内部的元部件的气流量 泵的有效抽速真空系统中的气体源 经容器壁和连接处的泄漏 虚漏 蒸发 体出气 表面出气 分解 高能粒子轰击出气超高真空兼容的材料 玻璃，石英，Sapphire （观察窗） 高纯金属，如：Cu，Al，不锈钢等（真空腔体，真空零件） 陶瓷，云母，teflon，Sapphire（绝缘） 合成橡胶，环氧树脂，氟橡胶（O圈密封）超高真空应避免的材料 Plastics，common steel，lead，indium，zinc, cadmium，water. Avoid al
7、l traces of hydrocarbons, including skin oils in a fingerprint.超高真空腔体 饱和蒸汽压低 耐450度以上高温烘烤 气体渗漏可以忽略 强度足够大经得住大气压 高温下耐腐蚀304, 316不锈钢不锈钢表面出气达到平衡的时间随温度的变化室温室温300 C烘烤（150-200 C）烘烤罩烘烤罩加热带加热带+铝箔铝箔主要去除吸附在腔壁上的水和碳氢化合物不可拆卸密封方式 Welded connections stainless steel，aluminum Brazed connections join metals at soldering
8、 temperatures of above 600C Fusing glass components (in glass equipment) and for glass-to-metal connections Metalized connections Ceramic-to-metal connections可拆卸密封方式 rubber o-rings, molded rubber rings, rubber diaphragms or cups, soft metal/hard metal seals, hard metal/hard metal seals, soft metal/p
9、olished sapphire flat. 静密封：CF法兰铜垫圈极限真空度极限真空度10-9 Pa，漏率，漏率10-12 Pa m-3 s-1刀口刀口动密封：机械运动 波纹管短程移动和低速转动短程移动和低速转动 磁耦合长程移动和高速转动长程移动和高速转动角阀橡胶或Cu垫片闸板阀“VITON A”漏阀sapphirecopper真空泵分类真空泵分类泵的抽速和极限压强定义气流率：则质量变化率为：定义泵抽速：设系统内部出气率和漏气率为Qi，泵的抽气率为Qo：则有：假设泵的抽速S和出气率Qi为常数：在t时，系统达到极限压强：压缩比极限压强通常由压缩比和漏气率共同决定极限压强通常由压缩比和漏气率共同
10、决定12PPK 定义压缩比：定义压缩比：其中P2和P1分别是泵的出口和入口处的压强。涡轮分子泵 （molecular turbo pump）工作原理压缩比：抽速：平均速度：抽速 vs. 转速 Pfeiffer Vacuum turbo molecular pump 压缩比Pfeiffer Vacuum turbo molecular pump 抽速 vs. 分子质量Pfeiffer Vacuum turbo molecular pump 抽速 vs. 工作压强分子泵前级压强必须小于分子泵前级压强必须小于1mbar，保证分子泵处于分子流状态，保证分子泵处于分子流状态Pfeiffer Vacuum
11、 turbo molecular pump 溅射离子泵（sputtering ion pump）Varian, Inc. Vacuum Technologies对惰性气体的抽速不敏感，氩气的抽气率只有氮气的对惰性气体的抽速不敏感，氩气的抽气率只有氮气的1%。工作原理1. 溅射抽钛膜气：活性气体 (e.g. CO, CO2, H2, N2, O2).2. 注入式抽气：所有气体，尤其是惰性气体。抽速 vs. 工作压强溅射离子泵的抽速与阳极电压和磁场强度有关，磁场强时抽速也大，对应最佳抽速的阳极电压也高溅射离子泵的抽速与阳极电压和磁场强度有关，磁场强时抽速也大，对应最佳抽速的阳极电压也高 极限压强极
12、限压强10-11mbar钛升华泵（sublimation pump）对活性气体的抽速很大，但对惰性气体不敏感，辅助到达超高真空对活性气体的抽速很大，但对惰性气体不敏感，辅助到达超高真空1. 钛丝缠绕式2. 合金丝式冷凝泵（cold trap）压强升高到饱和蒸汽压，就会发生气体凝结于表面形成像固体或液体样的多分子层极限压强极限压强10-11Pa组合泵溅射离子泵冷凝泵升华泵超高真空的测量真空测量 总压强 分压强冷阴极离子规（冷阴极离子规（Cold cathode ionization vacuum gauges）1-2 kGinverted magnetron Pfeiffer Vacuum IK
13、R 270Typical operating range：10-2 to 10-9 TorrMeasurement accuracy: 20-30% 热阴极离子规热阴极离子规 (Hot cathode ionization vacuum gauges)Typical range: 10-3 to 10-11 TorrMeasurement accuracy: 3% Bayard-Alpert sensors 两种真空规的比较 BAG的准确率远好于CCG BAG的可测得极限压强低于CCG 使用BAG需要对灯丝除气，CCG则不用 CCG在低真空下易被污染 对于需要频繁抽真空，真空度在10-9Tor
14、r以上的系统，优选CCG质谱仪 Sector field devices use the deflection effect of a magnetic field on moving charge carriers Time-of-flight mass (TOF) spectrometers utilize the differing velocities of molecules of equal energy for separation Quadrupole mass spectrometers utilize the resonance of moving ions in a hi
15、gh-frequency field (similar to ion traps)Sector field mass spectrometers 2/122/1)2(1)/2(emVBrrmvevBmeVvBMVr/)(95.1432/1对于单荷离子：（cm）离心力公式离子源的粒子被加速：Quadrupole mass spectrometers定义：离子在四极场中满足Mathieu型方程：Stability diagram稳定稳定不稳定不稳定不稳定不稳定306. 02VUqa通过成比例的扫描U和V，从而覆盖不同质量的离子分辨率灵敏度Mass spectroscopyH2H2OCO/N2OHO
16、H只考虑单荷离子只考虑单荷离子超高真空下典型的残余气体质谱图超高真空的检漏检漏气体的要求 Be non-toxic to humans, animals and the environment Not displace air, as hazardous situations, such as suffocation, could otherwise occur be inert, i.e. slow to react, and should neither react chemically nor be flammable Not be present in air, if possible
17、. Only with a gas that is present in the smallest possible concentration in the ambient air is it possible to detect even the smallest leaks Cannot be mistaken for other gases With smallest mass if possible.最常用的检漏气体：最常用的检漏气体：He检漏方式 电离规检漏 (10-8 Pa m3 s-1) 离子泵检漏 (10-12 Pa m3 s-1) 卤素检漏 (10-7 Pa m3 s-1)
18、 质谱检漏 (10-14 Pa m3 s-1)模式一：Local mode模式二：Integral mode方法一：残气成分分析用四极质谱计在1-50amu的质量范围内进行模拟谱扫描，如果N2, O2两种气体的峰高比大约为4:1，而且还存在Ar峰，则系统有漏;对于选择性抽气系统( 对惰性气体抽速极小) ，如果系统的剩余气体主峰是Ar，而不是N2，则系统有漏；对于超高/ 极高真空系统，如果N2的谱峰(由于N2和CO的谱峰重叠，必须通过N2的图样系数N来计算N2峰高)高于H2和H2O的谱峰，则系统有漏。对于经过彻底烘烤除气的金属真空装置，依靠空气中的N2- CO分布特性无法识别出漏孔，这是因为通常
19、器壁在很长时间内对O2 具有强烈的抽气作用，因此在谱图中看不到O2, ，而N2常常被CO所掩盖。这时可通过质量数为14 (N)和40 (Ar)的谱峰来判断，如果其谱峰很高，则系统有漏。方法二：示漏气体动态检漏 选用氦气作为示漏气体; 对真空系统和四极质谱计的探头进行烘烤除气，降低残气成分; 用四极质谱计记录真空系统的氦气本底谱; 用氦气喷枪对怀疑有漏的各种接头和密封面进行喷气，用适当的方法将接头和密封面包起来，以便形成较高的氦气浓度，持续时间一般为3 分钟。 用四极质谱计测量氦气离子流，如果离子流相对于本底有突然跃升，则可确定此处有漏孔。四极质谱仪检漏的优点对真空系统内主要残余气体进行谱峰扫描
20、即可判断系统有无漏孔。与一般的检漏仪相比，没有 “分流”作用，具有较高的灵敏度，更适用于极高真空系统的检漏。四极质谱计可以在毫秒时间量级内扫描，检漏气体离子流信号出现时间短，提高了检漏速度。分辨率高，本底信号小 ( 氦气为检漏气体时)，提高了检漏的可靠性。可长期接在真空系统上实现在线检漏，不影响真空系统的正常运转.与标准漏孔漏率比对，可较为精确的计算出漏孔漏率( 相比检漏仪) 。通过对四极质谱计校准 ，可以测量示漏气体在真空容器内的分压力。小结 超高真空基础 超高真空的获得 超高真空的测量 超高真空检漏参考文献 邱爱叶，邵建中。超高真空技术，浙江大学出版社，1991. G. L. 威斯勒，R.
21、 W.卡尔森。真空物理和技术，原子能出版社，1990. LM Rozanov & Hablanian, MH (2002). Vacuum technique. London; New York: Taylor & Francis. http:/www.pfeiffer- http:/ http:/ Plenty of Room at the Bottom.” -Richard Feynman, Dec. 29th, 1959Theres Plenty of Room on the Surface表面物理考试表面物理考试时间 ：12月31号18:40-20:40 地点：理教106 方式：开卷考
22、试 11醉翁亭记 1反复朗读并背诵课文，培养文言语感。2结合注释疏通文义，了解文本内容，掌握文本写作思路。3把握文章的艺术特色，理解虚词在文中的作用。4体会作者的思想感情，理解作者的政治理想。一、导入新课范仲淹因参与改革被贬，于庆历六年写下岳阳楼记，寄托自己“先天下之忧而忧，后天下之乐而乐”的政治理想。实际上，这次改革，受到贬谪的除了范仲淹和滕子京之外，还有范仲淹改革的另一位支持者北宋大文学家、史学家欧阳修。他于庆历五年被贬谪到滁州，也就是今天的安徽省滁州市。也是在此期间，欧阳修在滁州留下了不逊于岳阳楼记的千古名篇醉翁亭记。接下来就让我们一起来学习这篇课文吧！【教学提示】结合前文教学，有利于学
23、生把握本文写作背景，进而加深学生对作品含义的理解。二、教学新课目标导学一：认识作者，了解作品背景作者简介：欧阳修(10071072)，字永叔，自号醉翁，晚年又号“六一居士”。吉州永丰(今属江西)人，因吉州原属庐陵郡，因此他又以“庐陵欧阳修”自居。谥号文忠，世称欧阳文忠公。北宋政治家、文学家、史学家，与韩愈、柳宗元、王安石、苏洵、苏轼、苏辙、曾巩合称“唐宋八大家”。后人又将其与韩愈、柳宗元和苏轼合称“千古文章四大家”。关于“醉翁”与“六一居士”：初谪滁山，自号醉翁。既老而衰且病，将退休于颍水之上，则又更号六一居士。客有问曰：“六一何谓也？”居士曰：“吾家藏书一万卷，集录三代以来金石遗文一千卷，有
24、琴一张，有棋一局，而常置酒一壶。”客曰：“是为五一尔，奈何？”居士曰：“以吾一翁，老于此五物之间，岂不为六一乎？”写作背景：宋仁宗庆历五年(1045年)，参知政事范仲淹等人遭谗离职，欧阳修上书替他们分辩，被贬到滁州做了两年知州。到任以后，他内心抑郁，但还能发挥“宽简而不扰”的作风，取得了某些政绩。醉翁亭记就是在这个时期写就的。目标导学二：朗读文章，通文顺字1初读文章，结合工具书梳理文章字词。2朗读文章，划分文章节奏，标出节奏划分有疑难的语句。节奏划分示例环滁/皆山也。其/西南诸峰，林壑/尤美，望之/蔚然而深秀者，琅琊也。山行/六七里，渐闻/水声潺潺，而泻出于/两峰之间者，酿泉也。峰回/路转，有
25、亭/翼然临于泉上者，醉翁亭也。作亭者/谁？山之僧/曰/智仙也。名之者/谁？太守/自谓也。太守与客来饮/于此，饮少/辄醉，而/年又最高，故/自号曰/醉翁也。醉翁之意/不在酒，在乎/山水之间也。山水之乐，得之心/而寓之酒也。节奏划分思考“山行/六七里”为什么不能划分为“山/行六七里”？明确：“山行”意指“沿着山路走”，“山行”是个状中短语，不能将其割裂。“望之/蔚然而深秀者”为什么不能划分为“望之蔚然/而深秀者”？明确：“蔚然而深秀”是两个并列的词，不宜割裂，“望之”是总起词语，故应从其后断句。【教学提示】引导学生在反复朗读的过程中划分朗读节奏，在划分节奏的过程中感知文意。对于部分结构复杂的句子，
26、教师可做适当的讲解引导。目标导学三：结合注释，翻译训练1学生结合课下注释和工具书自行疏通文义，并画出不解之处。【教学提示】节奏划分与明确文意相辅相成，若能以节奏划分引导学生明确文意最好；若学生理解有限，亦可在解读文意后把握节奏划分。2以四人小组为单位，组内互助解疑，并尝试用“直译”与“意译”两种方法译读文章。3教师选择疑难句或值得翻译的句子，请学生用两种翻译方法进行翻译。翻译示例：若夫日出而林霏开，云归而岩穴暝，晦明变化者，山间之朝暮也。野芳发而幽香，佳木秀而繁阴，风霜高洁，水落而石出者，山间之四时也。直译法：那太阳一出来，树林里的雾气散开，云雾聚拢，山谷就显得昏暗了，朝则自暗而明，暮则自明而
27、暗，或暗或明，变化不一，这是山间早晚的景色。野花开放，有一股清幽的香味，好的树木枝叶繁茂，形成浓郁的绿荫。天高气爽，霜色洁白，泉水浅了，石底露出水面，这是山中四季的景色。意译法：太阳升起，山林里雾气开始消散，烟云聚拢，山谷又开始显得昏暗，清晨自暗而明，薄暮又自明而暗，如此暗明变化的，就是山中的朝暮。春天野花绽开并散发出阵阵幽香，夏日佳树繁茂并形成一片浓荫，秋天风高气爽，霜色洁白，冬日水枯而石底上露，如此，就是山中的四季。【教学提示】翻译有直译与意译两种方式，直译锻炼学生用语的准确性，但可能会降低译文的美感；意译可加强译文的美感，培养学生的翻译兴趣，但可能会降低译文的准确性。因此，需两种翻译方式
28、都做必要引导。全文直译内容见我的积累本。目标导学四：解读文段，把握文本内容1赏析第一段，说说本文是如何引出“醉翁亭”的位置的，作者在此运用了怎样的艺术手法。明确：首先以“环滁皆山也”五字领起，将滁州的地理环境一笔勾出，点出醉翁亭坐落在群山之中，并纵观滁州全貌，鸟瞰群山环抱之景。接着作者将“镜头”全景移向局部，先写“西南诸峰，林壑尤美”，醉翁亭坐落在有最美的林壑的西南诸峰之中，视野集中到最佳处。再写琅琊山“蔚然而深秀”，点山“秀”，照应上文的“美”。又写酿泉，其名字透出了泉与酒的关系，好泉酿好酒，好酒叫人醉。“醉翁亭”的名字便暗中透出，然后引出“醉翁亭”来。作者利用空间变幻的手法，移步换景，由远
29、及近，为我们描绘了一幅幅山水特写。2第二段主要写了什么？它和第一段有什么联系？明确：第二段利用时间推移，抓住朝暮及四季特点，描绘了对比鲜明的晦明变化图及四季风光图，写出了其中的“乐亦无穷”。第二段是第一段“山水之乐”的具体化。3第三段同样是写“乐”，但却是写的游人之乐，作者是如何写游人之乐的？明确：“滁人游”，前呼后应，扶老携幼，自由自在，热闹非凡；“太守宴”，溪深鱼肥，泉香酒洌，美味佳肴，应有尽有；“众宾欢”，投壶下棋，觥筹交错，说说笑笑，无拘无束。如此勾画了游人之乐。4作者为什么要在第三段写游人之乐？明确：写滁人之游，描绘出一幅太平祥和的百姓游乐图。游乐场景映在太守的眼里，便多了一层政治清
30、明的意味。太守在游人之乐中酒酣而醉，此醉是为山水之乐而醉，更是为能与百姓同乐而醉。体现太守与百姓关系融洽，“政通人和”才能有这样的乐。5第四段主要写了什么？明确：写宴会散、众人归的情景。目标导学五：深入解读，把握作者思想感情思考探究：作者以一个“乐”字贯穿全篇，却有两个句子别出深意，不单单是在写乐，而是另有所指，表达出另外一种情绪，请你找出这两个句子，说说这种情绪是什么。明确：醉翁之意不在酒，在乎山水之间也。醉能同其乐，醒能述以文者，太守也。这种情绪是作者遭贬谪后的抑郁，作者并未在文中袒露胸怀，只含蓄地说：“醉能同其乐，醒能述以文者，太守也。”此句与醉翁亭的名称、“醉翁之意不在酒，在乎山水之间
31、也”前后呼应，并与“滁人游”“太守宴”“众宾欢”“太守醉”连成一条抒情的线索，曲折地表达了作者内心复杂的思想感情。目标导学六：赏析文本，感受文本艺术特色1在把握作者复杂感情的基础上朗读文本。2反复朗读，请同学说说本文读来有哪些特点，为什么会有这些特点。(1)句法上大量运用骈偶句，并夹有散句，既整齐又富有变化，使文章越发显得音调铿锵，形成一种骈散结合的独特风格。如“野芳发而幽香，佳木秀而繁阴”“朝而往，暮而归，四时之景不同，而乐亦无穷也”。(2)文章多用判断句，层次极其分明，抒情淋漓尽致，“也”“而”的反复运用，形成回环往复的韵律，使读者在诵读中获得美的享受。(3)文章写景优美，又多韵律，使人读
32、来不仅能感受到绘画美，也能感受到韵律美。目标导学七：探索文本虚词，把握文言现象虚词“而”的用法用法文本举例表并列1.蔚然而深秀者；2.溪深而鱼肥；3.泉香而酒洌；4.起坐而喧哗者表递进1.而年又最高；2.得之心而寓之酒也表承接1.渐闻水声潺潺，而泻出于两峰之间者；2.若夫日出而林霏开，云归而岩穴暝；3.野芳发而幽香，佳木秀而繁阴；4.水落而石出者；5.临溪而渔；6.太守归而宾客从也；7.人知从太守游而乐表修饰1.朝而往，暮而归；2.杂然而前陈者表转折1.而不知人之乐；2.而不知太守之乐其乐也虚词“之”的用法用法文本举例表助词“的”1.泻出于两峰之间者；2.醉翁之意不在酒；3.山水之乐；4.山间
33、之朝暮也；5.宴酣之乐位于主谓之间，取消句子独立性而不知太守之乐其乐也表代词1.望之蔚然而深秀者；2.名之者谁(指醉翁亭)；3.得之心而寓之酒也(指山水之乐)【教学提示】更多文言现象请参见我的积累本。三、板书设计路线：环滁琅琊山酿泉醉翁亭风景：朝暮之景四时之景山水之乐(醉景)风俗：滁人游太守宴众宾欢 太守醉宴游之乐(醉人)心情：禽鸟乐人之乐乐其乐与民同乐(醉情) 可取之处重视朗读，有利于培养学生的文言语感，并通过节奏划分引导学生理解文意，突破了仅按注释疏通文义的桎梏，有利于引导学生自主思考；不单纯关注“直译”原则，同时培养学生的“意译”能力，引导学生关注文言文的美感，在一定程度上有助于培养学生的核心素养。不足之处文章难度相对较高，基础能力低的学生难以适应该教学。 会员免费下载
