لایه نازک چیست؟
منظور از لایه نازک، لایه‌ای از مواد است که ضخامتی در بازه یک نانومتر تا چند میکرومتر دارد. ایجاد لایه نازک‌ها با استفاده از روش‌های مختلف لایه نشانی، پایه و اساس بسیاری از صنایع می‌باشد. به عنوان یک مثال ساده، یک آینه با لایه‌نشانی یک لایه فلز بر روی شیشه، دارای خاصیت بازتاب نور می‌شود.
کاربردهای لایه نازک
توسعه روش‌های لایه نشانی در قرن اخیر، موجب توسعه و پیشرفت در بسیاری از صنایع از جمله افزاره‌های الکترونیکی نیمه هادی، نوار‌های مغناطیسی، مدارهای مجتمع، LEDها، پوشش‌دهی‌های نوری (مثل پوشش‌های ضد‌انعکاس)، ایجاد پوشش‌های سخت به منظور محافظت از ابزارآلات، داروسازی، پزشکی و بسیاری از صنایع دیگر شده است. سیستم‌های لایه‌نشانی در خلاء شرکت پوشش‌های نانوساختار امکان لایه‌نشانی انواع لایههای نازک به روش اسپاترینگ، تبخیر حرارتی و لایه‌نشانی لیزر پالسی را فراهم می‌کنند.
اهمیت لایههای نازک
لایه‌نشانی لایههای نازک بر روی جامدات موجب بهبود ویژگی‌های سطحی آنها می‌شود. در این روش، شکل‌گیری یک لایه نازک بر روی توده ماده منجر به دستیابی به ویژگی‌های مکانیکی، الکتریکی، یا اپتیکی مطلوب، مانند رسانش، مقاومت در برابر خوردگی، انعکاس و یا سختی بیشتر بر سطح ماده می‌شود.
فرآیند لایه‌نشانی لایههای نازک
لایه‌نشانی لایههای نازک بر روی زیرلایه شامل مراحل مختلفی مانند جذب، پخش سطحی و دانه‌بندی است. هر یک از این مراحل به ویژگی‌های ماده مورد لایه‌نشانی و سطح زیرلایه، و روش و پارامترهای لایه‌نشانی بستگی دارد. برهم‌کنش بین ذرات جذب شونده و سطح زیرلایه نقشی تعیین کننده در نحوه رشد و ساختار لایه دارد.
روش‌های لایه‌نشانی
روش‌های گوناگونی برای ایجاد لایههای نازک مواد مختلف با ساختارهای متنوع بر روی انواع زیرلایه‌ها وجود دارد. این روش‌ها در دو دسته عمده قرار می‌گیرند: روش‌های شیمیایی و فیزیکی
-
روش‌های شیمیایی
در لایه‌نشانی شیمیایی، واکنش پیش‌ماده سیال بر روی زیرلایه منجر به تشکیل لایه‌ای نازک بر روی جامد می‌شود. روش‌های لایه‌نشانی الکتروپلیت، سل‌ژل، غرقابی، چرخشی، لایه‌نشانی بخار شیمیایی (CVD، (CVD تقویت شده با پلاسما (PECVD) و لایه‌نشانی لایه اتمی (ALD)، از روش‌های متداول لایه‌نشانی شیمیایی هستند.
-
روش‌های فیزیکی
لایه‌نشانی فیزیکی لایههای نازک با لایه‌نشانی بخار ماده در محیطی با فشار کم صورت می‌گیرد، به همین دلیل به عنوان لایه‌نشانی بخار فیزیکی (PVD) شناخته می‌شود. روش‌های مختلف PVD دارای دقت و یکنواختی مناسبی است که بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند. در این روش، از مواد جامد مانند طلا، مس، پلاتین و پالادیوم، به عنوان ماده پوشش‌دهنده استفاده می‌شود که ابتدا آنها از فاز جامد به فاز بخار تبدیل می‌شوند. سپس سطح موردنظر، بمباران می‌شود و در نهایت، لایه نازک روی سطح زیر لایه می‌نشیند.
در روش رسوب‌دهی فیزیکی بخار، از تکنیک‌های گوناگونی برای لایه نشانی مواد استفاده می‌شود که از میان آنها میتوان به روش‌های اسپاترینگ، تبخیر حرارتی، پرتو الکترونی، برآرایی پرتو مولکولی (MBE) و لایه نشانی به کمک لیزر پالسی (PLD) اشاره کرد.
ویژگی‌های لایههای نازک
لایههای نازک ویژگی‌های متفاوت الکتریکی، اپتیکی و مکانیکی نسبت به ماده توده خود دارند. در ادامه توصیفی از این ویژگی‌ها ارائه می‌شود:
-
ویژگی‌های الکتریکی
خواص الکتریکی لایههای نازک بستگی به نوع ماده لایه (فلز، نیمه هادی یا نارسانا) و زیرلایه دارد. با این حال عوامل اصلی مؤثر بر رسانش الکتریکی تابع اثر اندازه هستند. بارهای الکتریکی در یک لایه نازک طول پویش آزاد کمتری نسبت به ماده توده دارند، همچنین نقاط پراکندگی مانند نابه‌جایی‌ها و مرزدانه‌ها در لایه نازک به نسبت ماده توده افزایش می‌یابند که این عوامل می‌تواند موجب کاهش رسانش الکتریکی لایه نازک شود.
-
ویژگی‌های اپتیکی
ویژگی‌های اپتیکی مواد توسط ضرایب اپتیکی مانند ضریب شکست و ضریب جذب تعیین می‌شود که این ضرایب نیز متاثر از رسانش الکتریکی ماده است. بنابراین با توجه به موارد ذکر شده در بخش قبل، خواص اپتیکی به نقایص ساختاری و ویژگی‌هایی همچون تهی‌جاها، نقایص جایگزیده و پیوندهای اکسیدی وابسته است. بدین ترتیب، ضرایب عبور و انعکاس لایههای نازک به زبری سطح و ضخامت لایه بستگی دارد.
-
ویژگی‌های مکانیکی
لایههای نازک رفتار مکانیکی متفاوتی نسبت به ماده توده از خود نشان می‌دهند. خواص مکانیکی لایههای نازک به ضخامت و میکروساختارهای موجود در لایه بستگی دارد. تنش (Stress) ذخیره شده در لایه نازک در حین فرآیند لایه‌نشانی و پس از آن، به ویژه در روش‌های لایه‌نشانی بخار فیزیکی، منجر به تقویت خواص مکانیکی لایه مانند سختی و استحکام تسلیم (Yield Strength) می‌شود. وجود میکروساختارهایی مانند مرزدانه‌ها، آلاییدگی‌ها و نابه‌جایی‌ها در لایه نازک موجب سختی بیشتر لایههای نازک نسبت به حالت توده می‌شوند.
روش‌های مشخصه‌یابی لایه نازک
-
شناسایی ترکیب شیمیایی
ترکیب عناصر لایههای نازک توسط روش‌های پراکندگی یونی مانند طیف‌نگاری پس‌پراکندگی رادرفورد (RBS) یا روش‌های طیف‌نگاری مانند طیف‌نگاری فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS) مطالعه می‌شود.
-
ساختار و ریخت‌شناسی
ساختار کریستالی و میکروساختارها به روش‌های متفاوتی مانند پراش اشعه ایکس (XRD) و طیف‌نگاری رامان بررسی می‌شوند. سطح لایههای نازک نیز توسط روش‌های میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FE-SEM)، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) تحت بررسی قرار می‌گیرد (در صورت تمایل به مطالعه بیشتر در مورد تاریخچه میکروسکوپ الکترونی به این لینک مراجعه نمایید.)
- اندازه‌گیری ضخامت
ضخامت لایههای نازک در حین لایه‌نشانی و پس از آن به روش‌های متفاوتی مانند حسگرهای کریستال کوارتز (QCM)، الیپسومتری، پروفایلومتری و تداخل‌سنجی اندازه‌گیری می‌شود.
انواع لایههای نازک و کاربردهای آنها
با توسعه علم و فناوری در همه عرصه‌‌ها از جمله فیزیک و فناوری نانو، لایههای نازک بیش از پیش اهمیت و ضرورت خود را در صنایع مختلف و پژوهش‌های محققان، نشان داده‌اند. به علاوه، امروزه کاربرد و خواص لایههای نازک در علوم مختلف و نقش به سزای آنها در توسعه و رشد فناوری، بسیار چشمگیر بوده است. لایههای نازک در حوزه‌های متنوعی همچون الکترونیک نیمه‌هادی‌ها، ضبط‌های مغناطیسی، مدارهای مجتمع، دیودهای نورتاب، پوشش‌های اپتیکی (مانند پوشش‌های ضد بازتاب)، پوشش‌های سخت برای محافظت از ابزار، داروسازی و … کاربرد دارند.
علاوه بر کاربردهای گوناگون در زمینه‌های مختلف، لایههای نازک نقش بسزایی در مطالعه و توسعه مواد با ویژگی‌های منحصر به فرد و خاص دارند، برای مثال ابرشبکه‌ها (Superlattices)که امکان مطالعه پدیده‌های کوانتومی را فراهم می‌آورند. آنها از این جهت بسیار مهم هستند که ویژگی‌ها و واکنش‌های سطح ماده را از توده آن، متفاوت می‌سازند. به علاوه، آنها دارای طیف وسیعی از خصوصیات هستند که متناسب با خصوصیتشان، کاربردهای گوناگونی دارند.
انواع لایههای نازک را میتوان به صورت زیر دسته‌بندی کرد:
- لایه نازک نوری: استفاده برای ایجاد پوشش‌های بازتاب‌کننده، ضد‌بازتاب، سلول‌های خورشیدی، مانیتور‌ها، موجبر‌ها و آرایه‌های آشکار‌ساز نوری
- لایه نازک الکتریکی یا الکترونیکی: استفاده برای ساخت عایق‌ها، هادی‌ها، افزاره‌های نیمه‌هادی، مدارهای مجتمع و درایو‌های پیزوالکتریک
- لایه نازک مغناطیسی: معمولا استفاده برای ساخت دیسک‌های حافظه
- لایه نازک شیمیایی: استفاده برای ایجاد مقاومت در برابر آلیاژ شدن، انتشار، خوردگی و اکسیداسیون و همچنین ساخت سنسور‌های گاز و مایعات
- لایه نازک مکانیکی: استفاده برای پوشش‌های تریبولوژیکی (Tribological Coatings) جهت محافظت در برابر سایش، ایجاد سختی و چسبندگی و استفاده از ویژگی‌های میکرو‌مکانیکی
- لایه نازک حرارتی: استفاده به منظور ایجاد لایههای عایق و هیت سینک‌ها (Heat Sinks)
همچنین، لایههای نازک در کاربردهای مختلف حوزه صنعت و تحقیقات مانند پوشش‌های تزئینی، حسگرهای زیستی، ادوات پلاسمونیک، سلول‌های فوتوولتاییک، باتری‌ها و رزوناتورهای موج آکوستیکی استفاده می‌شوند.
لایه نازک و دستگاه‌های لایه نشانی در خلاء
دستگاه‌های لایه نشانی در خلاء ساخت شرکت پوشش‌های نانوساختار، از روش رسوب‌دهی فیزیکی بخار یا PVD برای ایجاد لایه نازک استفاده می‌کنند. به علاوه، محصولات این شرکت روش‌های اسپاترینگ، تبخیر حرارتی، لایه نشانی کربن و لایه نشانی لیزر پالسی را پشتیبانی می‌کنند. برای مثال، دستگاه اسپاترینگ رومیزی DSR1، از روش اسپاترینگ، دستگاه تبخیر حرارتی DTT از روش تبخیر حرارتی، دستگاه لایه نشان کربن DCR از روش لایه نشانی کربن و دستگاه لایه نشان PLD از روش لیزر پالسی، برای ایجاد لایههای نازک استفاده می‌کنند.
همچنین، دستگاه‌های ترکیبی این شرکت با گردآوری مجموعه‌ای از نیازهای کاربر در یک دستگاه، طراحی و ساخته شده‌اند و توانایی انجام بیش از یک روش لایه نشانی را دارا هستند. به عنوان نمونه، دستگاه اسپاترینگ و تبخیر حرارتی DST3-T، امکان لایه نشانی به روش‌های اسپاترینگ و تبخیر حرارتی را فراهم می‌کند. مدل DST3 با کاتدهای زاویه دار (DST3-A) قادر به اسپاترینگ کانونی و مدل DST3-S با کاتدهای مستقیم قابلیت لایه‌نشانی یکنواخت نمونه‌های بزرگ تا ۸ اینچ را داراست.
به منظور آشنایی بیشتر با لایههای نازک، روش PVD برای ساخت آنها و دستگاه‌های لایه نشانی در خلاء، می‌توانید به محصولات شرکت پوشش‌های نانوساختار مراجعه نمایید.
منابع
- Benelmekki, M., & Erbe, A. (2019). Nanostructured thin films–background, preparation and relation to the technological revolution of the 21st century. Nanostructured Thin Films, 34. doi:10.1016/b978-0-08-102572-7.00001-5
- https://www.susumu.co.jp/usa/tech/highfrequencychip02.php
-
Rao, M. C., and M. S. Shekhawat. “A brief survey on basic properties of thin films for device application.” International Journal of Modern Physics: Conference Series. Vol. 22. World Scientific Publishing Company, 2013.
- https://en.wikipedia.org/wiki/Thin_film
- Frey, Hartmut. “Applications and developments of thin film technology.” Handbook of Thin-Film Technology (2015): 1-3.
- Winkler, Adolf. “Initial stages of organic film growth characterized by thermal desorption spectroscopy.” Surface science 643 (2016): 124-137.
- Acosta, Edwin. “Thin films/properties and applications.” Thin Films. IntechOpen, 2021.
- https://www.soapbubble.dk/en/articles/thin-film-interference
چرا رنگ لایۀ نازک یک ماده با تغییر ضخامت آن تغییر می کند؟
نور فرودی بر یک لایۀ نازک مسیرهای متفاوتی را طی می کند، می تواند از آن عبور کند و یا منعکس شود. این موضوع منجر به پدیدۀ تداخل می شود. در نتیجه با تغییر ضخامت لایه طول موج های متفاوتی دیده می شوند.
سلام . چطور میتونم کاتالوگ دستگاه ion coater IB.2 sputtering و پیدا کنم؟
سلام. لطفا درخواست صدور پیش فاکتور را پر کنید. به شما پاسخ خواهیم داد.
سختی لایه پلاتین یا طلا بر روی قطعه آلومینیومی چقدر است؟
میزان سختی یک پوشش به عوامل متعدیی همچون روش لایه نشانی، ضخامت لایه، حرارت دهی زیرلایه یا اعمال ولتاژ بایاس و فشار محفظه در هنگام لایه نشانی بستگی دارد. برای بررسی دقیقتر می توانید به مقالات علمی چاپ شده درا ین زمینه مراجعه بفرمایید.