2. Herstellung definierter Probenoberflächen 2.1 Ultrahochvakuum (UHV) mittlere Geschwindigkeit der Gasteilchen (kin. Gastheorie): -6 für H:~ 2000 m/s 2 Bei einem Druck von 10 mbar ist die OF in weniger als 1 sec mit einer Monolage belegt! Deshalb: UHV ~ 10-10 mbar > 100 km -2-1 Z > 0.01 cm s t(mono) > 10000 s
Druckbereiche:
Restgas: 4 UHV: > 10 cm, Teilchen kollidieren mit Kammerwänden Teilchen auf Innenwand der Kammer wichtiger als Volumen UHV nur durch Ausheizen der Kammer auf ~ 180 C erreichbar, da Desorption Dampfdrücke: flüchtige Gase UHV-Materialien, Cu, Ag, Edelstahl, Keramik, Saphir Restgas in Kammer: H 2 (Permeation), CH 4 (Rest von Ölen), H2O, CO, CO 2, O2 reagiert mit C an heißen Filamenten zu CO, CO2 N und wenig O bei Leck, keine Fette! 2 2
Achtung: Auch Dampfdruck fester Stoffe kann relevant werden! zu vermeiden ist die Verwendung von z.b. Zn: -10 p=10 mbar bei 350K (Deshalb auch keine Verwendung von Messing!) -6 p=10 mbar bei 450K
2.2 Apparatur, Realiserung von UHV Oberflächenuntersuchungen werden heute fast ausschließlich in Apparaturen aus Edelstahl durchgeführt: An eine Hauptkammer werden über Flansche meist viele Geräte zur Messung, Probenpräparation und Probenmanipulation angeschlossen, sodass sehr komplexe Apparaturen entstehen können. Das UHV wird mindestens 2-stufig erzeugt: Eine Vorpumpe erzeugt ein Vorvakuum, gegen das dann die Hauptpumpe pumpt: Vorpumpe: Drehschieberpumpe (auch Ölrotationspumpe). Gleitende Schieber in einem rotierenden Stahlzylinder werden stets an die Gehäusewand gedrückt, sodass sie das im Schöpfraum vorhandene Gas komprimieren und durch den Auspuffstutzen ausstoßen. Das Ansaugen von Gas durch den Auspuffstutzen wird durch ein Druckventil verhindert. Bei zweistufigen Ölpumpen sind zwei solcher Rotoren hintereinander geschaltet. -3 Arbeitsbereich 1 bar 10 mbar
Hauptpumpen (zum Erreichen von UHV) Turbomolekularpumpe (seit etwa 1958) Prinzip etwa wie Flugzeugturbine. Die hochtourigen Schaufelblätter erteilen den Restgasmolekülen jeweils einen Impuls in Richtung Vorvakuumseite. Daher hohe Umlaufgeschwindigkeit der Turbine in der Größenordnung der mittleren Teilchengeschwindigkeit im Gas erforderlich 30000 90000 Umdrehungen je Minute (je nach Schallgeschwindigkeit 100 1000 m/s (abhängig von Gassorte). Vorvakuum erforderlich (10-10 mbar; Enddruck ca 10 Ionengetterpumpe -2-3 -10 mbar) Vorvakuum erforderlich. Enddruck -11 ca 10 mbar) Keine beweglichen Teile: Gasmoleküle werden ionisiert und mit Hochspannung auf Titanplatten geschossen, deren Oberfläche durch die Ionen zerstäubt wird. Frei werdendes Titan bindet die Moleküle chemisch und setzt sich an den Innenwänden der Pumpe ab. (Edelgasionen werden dann gebunden, wenn sie so tief in die Titanwände gelangen, dass sie dort vergraben bleiben.)
Titansublimationspumpe Vorvakuum erforderlich. -11 Enddruck ca 10 mbar Etwa gleiches Prinzip wie bei Ionengetterpumpe: Die Gasmoleküle werden chemisch in der Pumpe gebunden. Ein dicker Draht aus Titan wird durch einen starken Strom bei über 1300 C zur Weißglut gebracht. Durch Sublimation entsteht ein Titangas. Das Gas kondensiert an den kälteren Wänden der Pumpe. Dieser dünne Titanfilm reagiert mit den Luftmolekülen in der Pumpe. Gase wie Sauerstoff, Stickstoff oder Kohlendioxid werden so chemisch an das Titan gebunden. Kryopumpen werden auf tiefer Temperaturen (ca. 4 bis 20 K) gekühlt (flüss. He oder eingebaute Kältemaschine). Die Punpwirkung entsteht durch Adsorption der Gasmoleküle an gekühlten Materialien mit hoher Oberfläche (Zeolith, Aktivkohle). Anschluss der Pumpen an Apparatur über genormte Flansche aus Edelstahl (Dichtungen aus Kupfer) (auch bei Anschluss anderer Geräte)
2.3 Druckmessung Zu unterscheiden: Gesamt- und Partialdruck-Messung ACHTUNG: Es wird praktisch nie direkt der Druck, sondern meist Druck-proportionale Eigenschaften des Restgases gemessen! Gesamtdruckmessung: Pirani-Vakuummeter ( Pirani gauge) Messbereich: 1 bar - -3 10 mbar Prinzip: Es wird der elektr. Widerstand eines Drahts mittels einer Wheatstone- Brücke gemessen. Bei konst. Drahtheizung verliert der Draht bei höherem Druck mehr Wärme durch Wärmeleitung als bei niedrigerem Druck. Damit stellt sich eine druckabhängige Drahttemperatur und so ein druckabhängiger Widerstand ein. Ionisationsmanomete r ( ionisation gauge) [Bayard-Alpert-Röhre] -4-11 (10 10 mbar) Restgas wird durch Elektronen aus einem Heizfaden ( filament) ionisiert und die Ionen mit einem Kollektordraht gesammelt. Da die Ionisationsrate druckabhängig ist, ist der entsprechende Strom Maß für den Druck. Allerdings ist die Ionisationswahrscheinlichkeit von der Gasart abhängig, was korrigiert werden muss (siehe Faktor k unten). Nachweisgrenze ist meist "Röntgengrenze": Elektronen, die an der spiralförmigen Anode (Elektronenfänger) auftreffen, erzeugen weiche Röntgenstrahlung. Diese bewirkt Elektronenemission (Photoeffekt) am Ionenkollektor und wird als scheinbarer Ionenstrom gemessen. Korrekturfaktoren k(he)=0.16 k(ne)=0.27 k(o 2)=1.0 k(co)=1.2 k(h 2)=0.5 k(n )=1 (per def.) 2 k(co 2)=1.6 k(ch )=1.5 4
Penning-Vakuummeter (Penning gauge) -3-7 -6-13 (10 10 mbar) Prinzip ähnlich der Ionenpumpe, Messung des Anodenstroms. Geringere Genauigkeit als Heißkathodenvakuummeter; muss regelmäßig gereinigt werden. Partialdruckmessgeräte Quadrupol-Massenspektrometer (QMS) residual gas analyzer (RGA) (10 10 mbar) Auch hier werden die Moleküle des Restgases durch Elektronenstoß ionisiert. Jedoch können nur Ionen mit bestimmtem m/q-verhältnis den Quadrupolanalysator passieren. Durch Elektronenstoß kommt es auch zur Fragmentierung und Mehrfachladung von Ionen, was die Interpretation der Spektren erschwert. typisches Restgas-Massenspektrum