 |
Процесс и свойства покрытий
|
|
|
|
Отличная адгезия: Хемосорбция прекурсоров с поверхностью обеспечивает отличную адгезию.
Насыщенность: самоограниченные поверхностные реакции позволяют использовать автоматическую обработку и устраняют необходимость в экстра точной дозировке и непрерывном присутствии оператора.
Последовательность: Дискректный последовательный рост обеспечивает превосходную точность без необходимости присутствия оператора.
Поверхностно-контролируемые реакции: Поверхностные реакции обеспечивают нанесение однородных защитных покрытий, независимо от материала подложки: плотного, пористого, трубчатого, порошка или иных сложных по форме.
Точность и повторяемость: Рост толщины пленки в течение одного цикла ALD является специфическим для каждого процесса, но обычно составляет около 1 Å (0,1 нм).
Тонкие, плотные, гладкие: Метод ALD позволяет осаждать слои толщиной менее одного нанометра. Покрытия толщиной в 0,8 нм в настоящее время используется в некоторых отраслях промышленности.
Высокая производительность: Поверхностно-контролируемый рост обеспечивает увеличение объема выпуска как для больших партий, так и для больших поверхностей.
Плазмохимическое ALD: ALD покрытие также может быть изменено путем применения плазмы в процессе осаждения, например, с тем чтобы нанести покрытие с некоторыми металлами и низкотемпературными оксидами и нитридами.
«С рулона на рулон» и непрерывный ALD: метод нанесения покрытия «с рулона на рулон» открывает двери для многих новых приложений ALD, например, в гибкой электронной промышленности. Компания Beneq, с первой в мире коммерчески доступной исследовательской платформой для непрерывного ALD, занимает передовые позиции в разработке данного направления.
ALD для частиц и порошков: Сочетание защитного покрытия с конкретными подложками создает совершенно новые возможности, например, изменения диффузионных свойств материалов батареи и многое другое.
|
|
|
ALD–осаждаемые материалы
Наиболее распространенными материалами осажденными при помощи метода ALD являются (выборка):
Оксиды: Al2O3, CaO, CuO, Er2O3, Ga2O3, HfO2, La2O3, MgO, Nb2O5, Sc2O3, SiO2, Ta2O5, TiO2, VXOY, Y2O3, Yb2O3, ZnO, ZrO2, и т.д.
Нитриды: AlN, GaN, TaNX, TiAlN, TiNX, и т.д.
Карбиды: TaC, TiC, и т.д.
Металлы: Ir, Pd, Pt, Ru, и т.д.
Сульфиды: ZnS, SrS, и т.д.
Фториды: CaF2, LaF3, MgF2, SrF2, и т.д.
Биоматериалы: Ca10(PO4)6(OH)2 (гидроксиапатиты)
Полимеры: PMDA–DAH, PMDA–ODA, и т.д.
Легирование, наноламинаты и смешанные структуры: метод ALD обеспечивает возможность работы с широким спектром комбинаций материалов
Рис. Изображение и структура гибкой автоматизированной линии ALD.
Перечень материалов, доступных для технологии ALD, достаточно широк; он включает в себя оксиды, нитриды, оксонитриды, фториды и сульфиды, металлы (включая благородные), метало-органические соединения, полимеры, тройные соединения и другие классы соединений.
Число областей применения ALD-технологии за последние несколько лет экспоненциально возросло, и в настоящее время данный метод используется не только в полупроводниковой промышленности (при изготовлении микросхем, сенсоров, устройств AIII-BV, МЭМС), но также для защиты от коррозии, аккумулирования энергии, получения биосовместимых покрытий для медицины, органических светоизлучающих диодов (OLED), влагозащитных и декоративных покрытий и в других применениях.
Возможно использование сополимеров: 2-х разных полимерных молекул. Однотипные молекулы не соединяются друг с другом (например, симметричные молекулы могут иметь по концам одинаковый заряд). Они могут соединяться только с молекулой – напарником.
В процессе можно использовать как термическое испарение, так и плазменное нанесение.
|
|
|
Рис. Нанесение сополимеров.
Для мнослойного нанесения амфифильных веществ (АМФВ), например, жидких кристаллов, используется метод Ленгмюра-Блоджетт. Особенностью метода Ленгмюра-Блоджетт является то, что сплошной упорядоченный мономолекулярный слой, предварительно формируется на поверхности субфазы и впоследствии переносится на поверхность подложки. Сформированный монослой, состоящий из плотноупакованных молекул АМФВ, переносится на движущуюся вниз-вверх через поверхность воды твердую подложку. В зависимости от типа поверхности подложки (гидрофильная или гидрофобная) и последовательности пересечения подложкой поверхности субфазы с монослоем и без монослоя, можно получать пленки Ленгмюра-Блоджетт (ПЛБ) с симметричной (Y) или асимметричной (X, Z) структуры. Для получения однородной по толщине пленки Ленгмюра-Блоджетт, поверхность подложки должна иметь шероховатость Rz<=50нм.
Рис.Однослойная пленка Ленгмюра – Блоджетт.
|
Рис. Схема получения монослоев АМФВ.
Пленки Ленгмюра-Блоджетт (англ. Langmuir–Blodgett film) состоят из одного или более монослоев органических веществ. Метод Ленгмюра-Блоджетт позволяет без значительных экономических затрат (не требует вакуумирования и высоких температур) воспроизводимо получать молекулярные моно- и мультислои на основе органических веществ, включая и высокомолекулярные соединения (полимеры, в том числе биологически активные). Уникальность метода заключается в возможности послойно увеличивать толщину пленки, формирующейся на твердой поверхности, причем толщина каждого слоя определяется размерами молекулы используемого органического вещества, и строго контролировать структурное совершенство получаемых пленок. Уже сейчас пленки Ленгмюра-Блоджетт находят разнообразное практическое применение в различных областях науки и техники: в наноэлектронике (нанолитография с разрешением 20-50 нм, изолирующие и проводящие ультратонкие пленки, туннельные диэлектрики, пассивирующие и защитные покрытия, элементная база молекулярной электроники, матрицы с полупроводниковыми наночастицами, матрицы для создания ультратонких слоев окислов металлов), в оптике (активные слои для записи информации оптическим способом и атомно-зондовым методом, фотохромные покрытия со встроенными светочувствительными белковыми молекулами, просветляющие покрытия, дифракционные решетки, интерференционные и поляризационные светофильтры, удвоители частот, барьерные слои в фотодиодах), в прикладной химии (химия поверхности и поведения частиц на поверхности, катализ, фильтрация и обратный осмос мембран, адгезия), в микромеханике (антифрикционные покрытия), в биологии -биосенсоры и датчики (электронные и электрохимические сенсоры на основе упорядоченных молекулярных структур со встроенными активными молекулами или молекулярными комплексами). Метод был разработан в 30х годах прошлого столетия И. Ленгмюром и его ученицей К. Блоджетт. Об этом методе на довольно долгий период забыли, но затем, уже после второй мировой войны, вернулись «на новом витке спирали», чтобы использовать его возможности для конструирования сложных слоистых ансамблей из амфифильных молекул. В последующие годы интерес к пленкам Ленгмюра—Блоджетт (ЛБ-пленкам) лавинообразно возрастал: поток работ был столь велик, что вышел за рамки публикаций в различных научных журналах — стал выходить специальный журнал «Langmuir». Каждый год проводятся специальные международные конференции «ЛБ», посвященные целиком тонким организованным пленкам, на многих физических и химических симпозиумах с широкой тематикой обязательно есть разделы, посвященные ленгмюровским монослоям и ЛБ-пленкам.
|
|
|
Ванна для нанесения пленок Ленгмюра-Блоджетт
Многослойная пленка по технологии «Слой – за – слоем» предусматривает подбор 2-х типов материалов. Один из них представляет собой мицеллиновые молекулы вокруг атома проводника (золота). Второй слой выполняет функцию объединителя и слоев и отдельных молекул (полиамин). Число пар и определяет общую толщину пленки
Рис. Технология самосборки из раствора наноструктурированных слоев
|
|
|
«Слой–за-слоем».
Нанесение слоя металла (или другого вещества) из коллоидного раствора предусматривает испарение (evaporation) растворителя. Частицы металла без растворителя объединяются в сплошную пленку. Коллоидный раствор на первой стадии придает форму наносимому слою.
Рис. Создание пленки из коллоидного раствора.
Газопламенное напыление.
Простейший способ нанесения восстановительных покрытий, при котором порошок или проволока подается через центральное отверстие сопла и, будучи расплавленным в кислородно-ацетиленовом пламени, попадает на специально подготовленную поверхность детали. Полученное покрытие характеризуется повышенным содержанием оксидов и пористостью до 10%.
Характеристики:
Температура пламени: 3100 °С
Скорость частиц: 60 - 240 м/с
При более высокой кинетической энергии частиц образуется плотное покрытие с высокими адгезионными характеристиками и чрезвычайно низкой пористостью (менее 1%). Это сверхзвуковое газопламенное напыление (HVOF).
Детонационное нанесение покрытий.
Способ основан на ускорении частиц за счет дискретных взрывов газовой смеси в камере сгорания детонационной пушки. Система отличается высоким качеством наносимых покрытий при малой производительности.
Рис. Газовая пушка для детонационное нанесение покрытий.
|
|
|
