I film sottili continuano ad attirare l'attenzione dei ricercatori. Questo articolo presenta la ricerca attuale e più approfondita sulle loro applicazioni, metodi di deposizione variabile e usi futuri.
"Film" è un termine relativo per un materiale bidimensionale (2D) che è molto più sottile del suo substrato, sia che sia destinato a coprire il substrato o ad essere inserito tra due superfici. Nelle attuali applicazioni industriali, lo spessore di questi film sottili varia tipicamente da dimensioni atomiche sub-nanometriche (nm) (cioè <1 nm) a diversi micrometri (μm). Il grafene a strato singolo ha uno spessore di un atomo di carbonio (ovvero ~ 0,335 nm).
Le pellicole venivano utilizzate per scopi decorativi e pittorici in epoca preistorica. Oggi oggetti di lusso e gioielli sono rivestiti con sottili pellicole di metalli preziosi come bronzo, argento, oro e platino.
L'applicazione più comune delle pellicole è la protezione fisica delle superfici da abrasioni, urti, graffi, erosione e abrasioni. Gli strati di carbonio simile al diamante (DLC) e MoSi2 vengono utilizzati per proteggere i motori automobilistici dall'usura e dalla corrosione ad alta temperatura causata dall'attrito tra le parti meccaniche in movimento.
I film sottili vengono utilizzati anche per proteggere le superfici reattive dall'ambiente, sia che si tratti di ossidazione o idratazione dovuta all'umidità. Le pellicole conduttrici di schermatura hanno ricevuto molta attenzione nei campi dei dispositivi a semiconduttore, dei separatori di pellicole dielettriche, degli elettrodi a pellicola sottile e delle interferenze elettromagnetiche (EMI). In particolare, i transistor ad effetto di campo di ossido di metallo (MOSFET) contengono pellicole dielettriche chimicamente e termicamente stabili come SiO2, mentre i semiconduttori di ossido di metallo complementari (CMOS) contengono pellicole di rame conduttive.
Gli elettrodi a film sottile aumentano di diverse volte il rapporto tra la densità di energia e il volume dei supercondensatori. Inoltre, i film sottili metallici e attualmente i film sottili ceramici di perovskite MXene (carburi, nitruri o carbonitruri di metalli di transizione) sono ampiamente utilizzati per proteggere i componenti elettronici dalle interferenze elettromagnetiche.
Nel PVD, il materiale target viene vaporizzato e trasferito in una camera a vuoto contenente il substrato. I vapori iniziano a depositarsi sulla superficie del supporto semplicemente per condensazione. Il vuoto impedisce la miscelazione delle impurità e le collisioni tra le molecole di vapore e le molecole di gas residuo.
La turbolenza introdotta nel vapore, il gradiente di temperatura, la portata del vapore e il calore latente del materiale target svolgono un ruolo importante nel determinare l'uniformità della pellicola e il tempo di lavorazione. I metodi di evaporazione includono il riscaldamento resistivo, il riscaldamento con fascio di elettroni e, più recentemente, l'epitassia con fascio molecolare.
Gli svantaggi del PVD convenzionale sono la sua incapacità di vaporizzare materiali con punto di fusione molto elevato e i cambiamenti strutturali indotti nel materiale depositato a causa del processo di evaporazione-condensazione. Lo sputtering del magnetron è la tecnica di deposizione fisica di nuova generazione che risolve questi problemi. Nello sputtering con magnetron, le molecole bersaglio vengono espulse (sputtering) mediante bombardamento con ioni positivi energetici attraverso un campo magnetico generato da un magnetron.
I film sottili occupano un posto speciale nei moderni dispositivi elettronici, ottici, meccanici, fotonici, termici e magnetici e persino negli oggetti decorativi grazie alla loro versatilità, compattezza e proprietà funzionali. PVD e CVD sono i metodi di deposizione di vapore più comunemente utilizzati per produrre film sottili con spessore compreso tra pochi nanometri e pochi micrometri.
La morfologia finale del film depositato ne influenza le prestazioni e l'efficienza. Tuttavia, le tecniche di deposizione evaporativa di film sottili richiedono ulteriori ricerche per prevedere con precisione le proprietà del film sottile sulla base degli input di processo disponibili, dei materiali target selezionati e delle proprietà del substrato.
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Orario di pubblicazione: 23 aprile 2023