Nel 1995 l'Istituto di Spettroscopia Molecolare del CNR di Bologna ha acquistato un sistema OMBD (organic molecular beam deposition) . Il sistema é costituito da tre camere separate mediante valvole da UHV. Ogni camera é dotata di un proprio sistema di pompaggio. Nella camera centrale del sistema , con un vuoto base dell' ordine di 5x10-10 mbar avviene la preparazione dei campioni, realizzati per deposizione da fase vapore di film sottili di materiali organici. Il materiale di partenza o carica di evaporazione, é contenuta nel crogiolo di una cella di Knudsen sotto forma di grani o polvere. La cella viene riscaldata termicamente fino a mantenere la carica di evaporazione ad una temperaura sufficiente a produrre la pressione di vapore desiderata . Le velocità di evaporazione utilizzate per la preparazione di film sottili variano da 5 Å /min a qualche ?m/min . Una stima approssimativa della temperatura di evaporazione si puo' fare tenendo conto che una con pressione di vapore di 10-2 torr si ottengono velocità di condensazione ottimali per produrre film sottili. I materiali organici da noi utilizzati raggiungono una tensione di vapore elevata prima di fondere, pertanto nel nostro caso si tratta sempre di sublimanzione. La transizione tra le diverse fasi e' regolata dalla equazione di Knudsen-Hertz dNe/dtAe = ?eNA (Pe -Ph)/ (2?MRT)½ [cm-2sec-1] dove dNe/dtAe rappresenta il n° di molecole Ne che evaporano da una superficie di area Ae nel tempo dt ,Pe la tensione di vapore , Ph la pressione di equilibrio , M il peso molecolare, R la costante di Rydberg, ?e un coefficiente di evaporazione che dipende dal materiale e varia tra 0 e 1. Questo cofficiente fu introdotto per giustificare delle velocita' di evaporazione minori di quelle consentite dalla pressione di equilibrio. Tuttavia la sua giustificazione teorica prende spunto dalla cinetica di un processo di condensazione , che include la possibilita' di riflessioni elastiche tra il gas e le pareti del crogiolo con un conseguente intrappolamento di parte delle molecole incidenti . Da questa formula si ricava che log Pe?-1/T cioe' la tensione di vapore aumenta esponenzialmente con la temperatura. Tanto i materiali inorganici quanto quelli organici con una elevata pressione parziale, in UHV ricondensano rapidamente in prossimità dell' orifizio di uscita dalla cella (lip effect) causandone la parziale chiusura dopo alcuni processi di deposizione. Questo fenomeno e' legato al fatto che in quel punto si ha una "zona fredda" dovuta a perdita di calore per irraggiamento verso l'esterno della cella. In particolare gli organici , che spesso sono formati da lunghe catene di molecole, tendono a sublimare formando dei clusters di molecole , che amplificano ulteriormente questo problema arrivando ad occludere completamente la bocca della cella. La costruzione della cella da noi realizzata prende spunto da questa osservazione. Con le celle commerciali in dotazione alla macchina, non espressamente studiate per evaporare materiali che tendono a ricondensare, abbiamo incontrato grosse difficoltà in quanto dopo alcune sublimazioni le celle diventavano inutilizzabili . Nel preparare una cella che deve lavorare in UHV bisogna prestare particolarmente attenzione ai materiali utilizzati per la realizzazione della stessa. Questi devono avere pressioni di vapore e di dissociazione estremamente bassi alle temperature di lavoro in modo da non inquinare l'ambiente circostante . Per questo motivo abbiamo utilizzato soltanto materiali refrattari (Ta, W, Mo ) di elevata purezza per la realizzazione del filamento riscaldante e dei supporti, Acciaio aisi 304 e 316 a basso contenuto di carbone per le flange e le staffe di supporto , nitruro di boro HBR e quarzo per la cella ed il crogiolo, rame OFHC privo di ossigeno per I collegamenti elettrici e cannule e supporti di allumina pura per gli isolamenti. Tutte le celle da noi realizzate possono essere inserite nel novero delle celle per bassa temperatura (fino a 950 °C), che viene costantemente controllata mediante un sistema a termocoppia Cromel/alumel, posta ad una distanza dal filamento identica alla distanza di questo dal crogiolo abbinata ad un controllore di temperatura programmabile ( PID ).
Realizzazione di una cella di Knudsen a riscaldamento differenziale per la sublimazione in UHV di materiali organici
Mauro Murgia
1999
Abstract
Nel 1995 l'Istituto di Spettroscopia Molecolare del CNR di Bologna ha acquistato un sistema OMBD (organic molecular beam deposition) . Il sistema é costituito da tre camere separate mediante valvole da UHV. Ogni camera é dotata di un proprio sistema di pompaggio. Nella camera centrale del sistema , con un vuoto base dell' ordine di 5x10-10 mbar avviene la preparazione dei campioni, realizzati per deposizione da fase vapore di film sottili di materiali organici. Il materiale di partenza o carica di evaporazione, é contenuta nel crogiolo di una cella di Knudsen sotto forma di grani o polvere. La cella viene riscaldata termicamente fino a mantenere la carica di evaporazione ad una temperaura sufficiente a produrre la pressione di vapore desiderata . Le velocità di evaporazione utilizzate per la preparazione di film sottili variano da 5 Å /min a qualche ?m/min . Una stima approssimativa della temperatura di evaporazione si puo' fare tenendo conto che una con pressione di vapore di 10-2 torr si ottengono velocità di condensazione ottimali per produrre film sottili. I materiali organici da noi utilizzati raggiungono una tensione di vapore elevata prima di fondere, pertanto nel nostro caso si tratta sempre di sublimanzione. La transizione tra le diverse fasi e' regolata dalla equazione di Knudsen-Hertz dNe/dtAe = ?eNA (Pe -Ph)/ (2?MRT)½ [cm-2sec-1] dove dNe/dtAe rappresenta il n° di molecole Ne che evaporano da una superficie di area Ae nel tempo dt ,Pe la tensione di vapore , Ph la pressione di equilibrio , M il peso molecolare, R la costante di Rydberg, ?e un coefficiente di evaporazione che dipende dal materiale e varia tra 0 e 1. Questo cofficiente fu introdotto per giustificare delle velocita' di evaporazione minori di quelle consentite dalla pressione di equilibrio. Tuttavia la sua giustificazione teorica prende spunto dalla cinetica di un processo di condensazione , che include la possibilita' di riflessioni elastiche tra il gas e le pareti del crogiolo con un conseguente intrappolamento di parte delle molecole incidenti . Da questa formula si ricava che log Pe?-1/T cioe' la tensione di vapore aumenta esponenzialmente con la temperatura. Tanto i materiali inorganici quanto quelli organici con una elevata pressione parziale, in UHV ricondensano rapidamente in prossimità dell' orifizio di uscita dalla cella (lip effect) causandone la parziale chiusura dopo alcuni processi di deposizione. Questo fenomeno e' legato al fatto che in quel punto si ha una "zona fredda" dovuta a perdita di calore per irraggiamento verso l'esterno della cella. In particolare gli organici , che spesso sono formati da lunghe catene di molecole, tendono a sublimare formando dei clusters di molecole , che amplificano ulteriormente questo problema arrivando ad occludere completamente la bocca della cella. La costruzione della cella da noi realizzata prende spunto da questa osservazione. Con le celle commerciali in dotazione alla macchina, non espressamente studiate per evaporare materiali che tendono a ricondensare, abbiamo incontrato grosse difficoltà in quanto dopo alcune sublimazioni le celle diventavano inutilizzabili . Nel preparare una cella che deve lavorare in UHV bisogna prestare particolarmente attenzione ai materiali utilizzati per la realizzazione della stessa. Questi devono avere pressioni di vapore e di dissociazione estremamente bassi alle temperature di lavoro in modo da non inquinare l'ambiente circostante . Per questo motivo abbiamo utilizzato soltanto materiali refrattari (Ta, W, Mo ) di elevata purezza per la realizzazione del filamento riscaldante e dei supporti, Acciaio aisi 304 e 316 a basso contenuto di carbone per le flange e le staffe di supporto , nitruro di boro HBR e quarzo per la cella ed il crogiolo, rame OFHC privo di ossigeno per I collegamenti elettrici e cannule e supporti di allumina pura per gli isolamenti. Tutte le celle da noi realizzate possono essere inserite nel novero delle celle per bassa temperatura (fino a 950 °C), che viene costantemente controllata mediante un sistema a termocoppia Cromel/alumel, posta ad una distanza dal filamento identica alla distanza di questo dal crogiolo abbinata ad un controllore di temperatura programmabile ( PID ).I documenti in IRIS sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
