نظرة فاحصة على تكنولوجيا ترسيب الأغشية الرقيقة

تستمر الأغشية الرقيقة في جذب انتباه الباحثين. تقدم هذه المقالة بحثًا حاليًا وأكثر تعمقًا حول تطبيقاتها وطرق الترسيب المتغيرة والاستخدامات المستقبلية.
"الفيلم" هو مصطلح نسبي لمادة ثنائية الأبعاد (2D) تكون أرق بكثير من الركيزة، سواء كان المقصود منها تغطية الركيزة أو أن تكون محصورة بين سطحين. في التطبيقات الصناعية الحالية، يتراوح سمك هذه الأغشية الرقيقة عادةً من الأبعاد الذرية تحت النانومتر (nm) (أي <1 نانومتر) إلى عدة ميكرومترات (μm). يبلغ سمك الجرافين أحادي الطبقة ذرة كربون واحدة (أي ~ 0.335 نانومتر).
تم استخدام الأفلام لأغراض الديكور والتصوير في عصور ما قبل التاريخ. اليوم، يتم تغليف العناصر الفاخرة والمجوهرات بأغشية رقيقة من المعادن الثمينة مثل البرونز والفضة والذهب والبلاتين.
التطبيق الأكثر شيوعًا للأفلام هو الحماية المادية للأسطح من التآكل والصدمات والخدوش والتآكل والسحجات. تُستخدم طبقات الكربون الشبيه بالألماس (DLC) وMoSi2 لحماية محركات السيارات من التآكل والتآكل الناتج عن درجات الحرارة المرتفعة الناتج عن الاحتكاك بين الأجزاء المتحركة الميكانيكية.
كما تستخدم الأغشية الرقيقة لحماية الأسطح المتفاعلة من البيئة، سواء كانت أكسدة أو ترطيب بسبب الرطوبة. لقد حظيت حماية الأفلام الموصلة باهتمام كبير في مجالات أجهزة أشباه الموصلات، وفواصل الأفلام العازلة، والأقطاب الكهربائية ذات الأغشية الرقيقة، والتداخل الكهرومغناطيسي (EMI). على وجه الخصوص، تحتوي ترانزستورات تأثير مجال أكسيد الفلز (MOSFETs) على أفلام عازلة مستقرة كيميائيًا وحراريًا مثل SiO2، وتحتوي أشباه الموصلات من أكسيد الفلز التكميلي (CMOS) على أفلام نحاسية موصلة.
تعمل الأقطاب الكهربائية ذات الأغشية الرقيقة على زيادة نسبة كثافة الطاقة إلى حجم المكثفات الفائقة عدة مرات. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم الأغشية الرقيقة المعدنية وحاليًا MXenes (كربيدات المعادن الانتقالية أو النتريدات أو نيتريدات الكربون) الأغشية الرقيقة الخزفية البيروفسكايت على نطاق واسع لحماية المكونات الإلكترونية من التداخل الكهرومغناطيسي.
في PVD، يتم تبخير المادة المستهدفة ونقلها إلى غرفة مفرغة تحتوي على الركيزة. تبدأ الأبخرة بالترسب على سطح الركيزة ببساطة بسبب التكثيف. يمنع الفراغ اختلاط الشوائب والاصطدامات بين جزيئات البخار وجزيئات الغاز المتبقية.
يلعب الاضطراب الذي يحدث في البخار، وتدرج درجة الحرارة، ومعدل تدفق البخار، والحرارة الكامنة للمادة المستهدفة دورًا مهمًا في تحديد توحيد الفيلم ووقت المعالجة. تشمل طرق التبخر التسخين المقاوم، وتسخين شعاع الإلكترون، ومؤخرًا، تنضيد الشعاع الجزيئي.
تتمثل عيوب PVD التقليدية في عدم قدرتها على تبخير المواد ذات درجة انصهار عالية جدًا والتغيرات الهيكلية المستحثة في المادة المترسبة بسبب عملية التبخر والتكثيف. يعتبر الرش المغنطروني هو الجيل التالي من تقنية الترسيب الفيزيائي التي تحل هذه المشكلات. في رش المغنطرون، يتم قذف (تناثر) الجزيئات المستهدفة عن طريق قصفها بأيونات موجبة نشطة عبر مجال مغناطيسي يتولد بواسطة المغنطرون.
تحتل الأغشية الرقيقة مكانة خاصة في الأجهزة الإلكترونية والبصرية والميكانيكية والفوتونية والحرارية والمغناطيسية الحديثة وحتى عناصر الديكور نظرًا لتعدد استخداماتها وصغر حجمها وخصائصها الوظيفية. تعد PVD وCVD من أكثر طرق ترسيب البخار استخدامًا لإنتاج أغشية رقيقة تتراوح سماكتها من بضعة نانومترات إلى بضعة ميكرومترات.
يؤثر الشكل النهائي للفيلم المودع على أدائه وكفاءته. ومع ذلك، تتطلب تقنيات الترسيب التبخيري للأغشية الرقيقة مزيدًا من البحث للتنبؤ بدقة بخصائص الأغشية الرقيقة استنادًا إلى مدخلات العملية المتاحة والمواد المستهدفة المحددة وخصائص الركيزة.
لقد دخل سوق أشباه الموصلات العالمي فترة مثيرة. لقد أدى الطلب على تكنولوجيا الرقائق إلى تحفيز وتأخير تطوير الصناعة، ومن المتوقع أن يستمر النقص الحالي في الرقائق لبعض الوقت. ومن المرجح أن تشكل الاتجاهات الحالية مستقبل الصناعة مع استمرار ذلك
والفرق الرئيسي بين البطاريات القائمة على الجرافين وبطاريات الحالة الصلبة هو تكوين الأقطاب الكهربائية. على الرغم من أن الكاثودات يتم تعديلها في كثير من الأحيان، إلا أنه يمكن أيضًا استخدام المتآصلات الكربونية لصنع الأنودات.
في السنوات الأخيرة، تم تطبيق إنترنت الأشياء بسرعة في جميع المجالات تقريبًا، ولكنها ذات أهمية خاصة في صناعة السيارات الكهربائية.