Οι λεπτές μεμβράνες εξακολουθούν να προσελκύουν την προσοχή των ερευνητών. Αυτό το άρθρο παρουσιάζει την τρέχουσα και πιο εις βάθος έρευνα σχετικά με τις εφαρμογές τους, τις μεθόδους μεταβλητής εναπόθεσης και τις μελλοντικές χρήσεις τους.
Το "Film" είναι ένας σχετικός όρος για ένα δισδιάστατο (2D) υλικό που είναι πολύ πιο λεπτό από το υπόστρωμά του, είτε προορίζεται να καλύψει το υπόστρωμα είτε να τοποθετηθεί μεταξύ δύο επιφανειών. Στις τρέχουσες βιομηχανικές εφαρμογές, το πάχος αυτών των λεπτών υμενίων κυμαίνεται τυπικά από ατομικές διαστάσεις υπονανομέτρων (nm) (δηλαδή <1 nm) έως αρκετά μικρόμετρα (μm). Το γραφένιο μιας στιβάδας έχει πάχος ενός ατόμου άνθρακα (δηλαδή ~0,335 nm).
Οι ταινίες χρησιμοποιήθηκαν για διακοσμητικούς και εικονιστικούς σκοπούς στην προϊστορική εποχή. Σήμερα, αντικείμενα πολυτελείας και κοσμήματα επικαλύπτονται με λεπτές μεμβράνες από πολύτιμα μέταλλα όπως μπρούτζος, ασήμι, χρυσός και πλατίνα.
Η πιο κοινή εφαρμογή των μεμβρανών είναι η φυσική προστασία των επιφανειών από τριβή, κρούση, γρατσουνιές, διάβρωση και γδαρσίματα. Τα στρώματα άνθρακα (DLC) και MoSi2 τύπου διαμαντιού χρησιμοποιούνται για την προστασία των κινητήρων αυτοκινήτων από τη φθορά και τη διάβρωση υψηλής θερμοκρασίας που προκαλείται από την τριβή μεταξύ των μηχανικών κινούμενων μερών.
Οι λεπτές μεμβράνες χρησιμοποιούνται επίσης για την προστασία των αντιδραστικών επιφανειών από το περιβάλλον, είτε πρόκειται για οξείδωση είτε για ενυδάτωση λόγω υγρασίας. Τα προστατευτικά αγώγιμα φιλμ έχουν λάβει μεγάλη προσοχή στους τομείς των συσκευών ημιαγωγών, των διαχωριστών διηλεκτρικών φιλμ, των ηλεκτροδίων λεπτής μεμβράνης και των ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών (EMI). Ειδικότερα, τα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου οξειδίου μετάλλου (MOSFET) περιέχουν χημικά και θερμικά σταθερά διηλεκτρικά φιλμ όπως SiO2, και οι συμπληρωματικοί ημιαγωγοί οξειδίου μετάλλου (CMOS) περιέχουν αγώγιμα φιλμ χαλκού.
Τα ηλεκτρόδια λεπτής μεμβράνης αυξάνουν την αναλογία της ενεργειακής πυκνότητας προς τον όγκο των υπερπυκνωτών αρκετές φορές. Επιπλέον, οι λεπτές μεμβράνες μετάλλων και επί του παρόντος τα MXenes (καρβίδια, νιτρίδια ή καρβονιτρίδια μεταβατικού μετάλλου) κεραμικές λεπτές μεμβράνες περοβσκίτη χρησιμοποιούνται ευρέως για την προστασία ηλεκτρονικών εξαρτημάτων από ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές.
Στο PVD, το υλικό-στόχος εξατμίζεται και μεταφέρεται σε θάλαμο κενού που περιέχει το υπόστρωμα. Οι ατμοί αρχίζουν να εναποτίθενται στην επιφάνεια του υποστρώματος απλώς και μόνο λόγω της συμπύκνωσης. Το κενό αποτρέπει την ανάμειξη ακαθαρσιών και τις συγκρούσεις μεταξύ μορίων ατμού και υπολειμματικών μορίων αερίου.
Ο στροβιλισμός που εισάγεται στον ατμό, η διαβάθμιση θερμοκρασίας, ο ρυθμός ροής ατμού και η λανθάνουσα θερμότητα του υλικού στόχου παίζουν σημαντικό ρόλο στον προσδιορισμό της ομοιομορφίας του φιλμ και του χρόνου επεξεργασίας. Οι μέθοδοι εξάτμισης περιλαμβάνουν θέρμανση με αντίσταση, θέρμανση δέσμης ηλεκτρονίων και, πιο πρόσφατα, επιταξία μοριακής δέσμης.
Τα μειονεκτήματα του συμβατικού PVD είναι η αδυναμία του να εξατμίζει υλικά με πολύ υψηλό σημείο τήξης και οι δομικές αλλαγές που προκαλούνται στο αποτιθέμενο υλικό λόγω της διαδικασίας εξάτμισης-συμπύκνωσης. Η επιμετάλλωση μαγνητρονίων είναι η τεχνική φυσικής εναπόθεσης επόμενης γενιάς που λύνει αυτά τα προβλήματα. Στη διασκορπισμό μαγνητρονίων, τα μόρια στόχοι εκτοξεύονται (διασκορπίζονται) με βομβαρδισμό με ενεργητικά θετικά ιόντα μέσω ενός μαγνητικού πεδίου που δημιουργείται από ένα μάγντρον.
Οι λεπτές μεμβράνες κατέχουν ιδιαίτερη θέση στις σύγχρονες ηλεκτρονικές, οπτικές, μηχανικές, φωτονικές, θερμικές και μαγνητικές συσκευές, ακόμη και σε διακοσμητικά αντικείμενα λόγω της ευελιξίας, της συμπαγούς και λειτουργικής τους ιδιότητας. Το PVD και το CVD είναι οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενες μέθοδοι εναπόθεσης ατμού για την παραγωγή λεπτών μεμβρανών με πάχος από μερικά νανόμετρα έως μερικά μικρόμετρα.
Η τελική μορφολογία του εναποτιθέμενου φιλμ επηρεάζει την απόδοση και την απόδοσή του. Ωστόσο, οι τεχνικές εναπόθεσης με εξάτμιση λεπτής μεμβράνης απαιτούν περαιτέρω έρευνα για την ακριβή πρόβλεψη των ιδιοτήτων λεπτής μεμβράνης με βάση τις διαθέσιμες εισροές διεργασίας, επιλεγμένα υλικά-στόχους και ιδιότητες υποστρώματος.
Η παγκόσμια αγορά ημιαγωγών έχει εισέλθει σε μια συναρπαστική περίοδο. Η ζήτηση για τεχνολογία chip έχει ωθήσει και καθυστερήσει την ανάπτυξη του κλάδου και η τρέχουσα έλλειψη chip αναμένεται να συνεχιστεί για κάποιο χρονικό διάστημα. Οι τρέχουσες τάσεις είναι πιθανό να διαμορφώσουν το μέλλον του κλάδου καθώς αυτό συνεχίζεται
Η κύρια διαφορά μεταξύ των μπαταριών με βάση το γραφένιο και των μπαταριών στερεάς κατάστασης είναι η σύνθεση των ηλεκτροδίων. Αν και οι κάθοδοι τροποποιούνται συχνά, τα αλλοτρόπα του άνθρακα μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή ανοδίων.
Τα τελευταία χρόνια, το Διαδίκτυο των Πραγμάτων έχει εφαρμοστεί γρήγορα σε όλους σχεδόν τους τομείς, αλλά είναι ιδιαίτερα σημαντικό στη βιομηχανία ηλεκτρικών οχημάτων.
Ώρα δημοσίευσης: Απρ-23-2023