علم لایه‌های نازک

(قسمت اول)

لایه های نازک دارای خواصی ویژه هستند که با خواص مواد مربوطه آنها در حالت حجمی به میزان قابل ملاحظه ای متفاوت است. این تفاوت به واسطه ابعاد فیزیکی، شکل هندسی و ریزساختار آنها به وجود می آید. همچنین این ویژگی های مشخصه لایه های نازک را می توان به میزان بسیار زیادی تغییر داده و به منظور حصول مشخصه های فیزیکی مورد نیاز و مطلوب تعدیل کرد. این ویژگیها پایه و اساس توسعه کاربرهای لایه های نازک در دستگاههای مختلف را تشکیل می دهند.

از یک طرف کاربرها در ابعاد زیرمیکرونی هستند؛ برای مثال در مدارهای میکروالکترونیک با تجمع بسیار بالا، دستگاههای تداخل کوانتومی پیوند جوزفسون حبابهای مغناطیسی و اپتیک تجمعی. از طرف دیگر لایه های نازک با سطح بزرگ به عنوان پوشش های گزیننده طول موج برای تبدیل حرارتی انرژی خورشیدی، سلولهای خورشیدی برای تبدیل فوتوولتایی، لایه های محاف1 لایه های غیر فعالسازی، ودرکاربرهای متعدد دیگری به کار برده می شوند. در حقیقت، بسیار مشکل خواهد بود که در بسیاری از دستگاه های اپتیکی و الکترونیکی مدرن، لایه های نازک به کار نرفته باشند.

با در نظر گرفتن مزایای متعدد لایه های نازک، می توان به راحتی پیش بینی کرد که در آینده ای نه چندان دور، در اکثر موارد، عصر قطعات ساخته شده از مواد حجمی به سر رسیده و بیشتر دستگاهها منحصراً با استفاده از لایه های نازک ساخته شوند.

اهمیت لایه‌های نازک

لایه های نازک با ضخامت زیر میکرونی، با خواصی ناشی از همان دو ویژگی اصلی آنها که شامل نازک بودن و بزرگی فوق العاده نسبت سطح به حجم است، کاربردهای فراوانی در فناوری های نوین یافته اند. برخی خصوصیاتی که در اثر نازک بودن سطح به وجود می آید شامل افزایش مقاومت ویژه، ایجاد پدیده تداخل نور، پدیده تونل زنی، مغناطیس شدگی سطحی، تغییر دمای بحرانی ابررساناها می باشد. همچنین برخی خصوصیاتی که از بزرگی سطح لایه های نازک ناشی می شود شامل پدیده جذب سطحی فیزیکی و پدیده جذب سطحی شیمیایی، پدیده پخش و فعالسازی می باشد.

با توجه به عملکرد و خواص لایه های نازک، می توان از آنها جهت بهبود تکنولوژی هایی نظیر سلولهای خورشیدی، سنسورها، کاربردهای نوری، مهندسی الکترونیک و فروالکترونیک نیز استفاده نمود. امروزه کاربرد لایه نشانی در صنایع، موضوع توسعه یافته ای است. به گونه ای که بخش بزرگی از زندگی مدرن را مدیون توسعه صنعت لایه نشانی می دانند.

تاریخچه لایه‌های نازک

فناوری لایه های نازک قدمتی چندهزار ساله دارد. این تکنولوژی، به طور همزمان، هم یکی از قدیمی ترین هنرها و هم یکی از جدیدترین علوم می باشد. احتمالاً مصریان اولین کسانی بودند که از هنر زرکوبی و طلاکاری برای تزیین و مقاوم سازی سطوح استفاده می کرده اند. در حدود چهار هزار سال پیش، هنر چکش کاری طلا با تولید ورقه های بسیار نازک زیبا و پایدار در برابر فرایندهای شیمیایی کاربرد داشته است.

همچنین در گذشته، سالیان متمادی لایه نشانی جیوه بر روی قطعات مسی انجام می گرفته است. صرفنظر از امکان استفاده لایه های نازک، فناوری تولید لایه نازک از حدود 300 سال پیش آغاز شد. اولین روشی که منجر به تولید لایه نازک فلزی شد، در سال 1838 به روش الکترولیز بود. در قرن 19 میلادی لایه نازک مایع از دیدگاه اپتیکی بسیار مورد توجه بوده است.

رفته رفته با پیشرفت تکنولوژی، در قرن 20 میلادی تولید لایه نازک جامد رشد کرد. در اوایل قرن 20 میلادی، با رشد تکنولوژی میکروالکترونیک، ساخت لایه های نازک تر از 1میکرومتر(زیرمیکرونی) اهمیت ویژه ای بدست آورد و در اواخر قرن 20 با ظهور و پیشرفت مباحث نانومتری و پیدایش روش های شناسایی نظیرXPS، تولید لایه ی نازک نانومتری (زیر 100نانومتر) پیشرفت چشمگیری پیدا کرد.

ویژگیهای لایه‌های نازک

موقعی گفته می شود که یک ماده جامد در شکل «لایه نازک» است، که به صورت لایه ای با ضخامت کم، در روی یک نگهدارنده جامد (زیرلایه) از ابتدا به وسیله چگالش ذرات انفرادی(اتمی،مولکولی یا یونی) تشکیل شده باشد. این عمل ممکن است مستقیماً به وسیله یک فرایند فیزیکی (تبخیر- چگالش) و یا از طریق یک واکنش شیمیایی یا الکتروشیمیایی صورت پذیرد. بایستی تأکید شود که فقط ضخامت کوچک این لایه ها نیست که خواص ویژه و برجسته لایه های نازک را به وجود می آورد، بلکه ریزساختار این لایه ها، که از روش منحصر به فردِ تشکیل آنها به وسیله افزایش مداوم قطعات ساختمانی اولیه (اتمها، مولکولها یا یونها) یکی بعد از دیگری ناشی می شود، اهمیت بیشتری دارد.

لایه هایی که با استفاده از یک پاشیده یا یک خمیر از ماده مورد نظر در روی یک زیرلایه (و سپس پختن و خشک کردن آن) درست می شوند، بدون توجه به ضخامت آنها، به نام «لایه های ضخیم » نامیده شده و دارای خواصی مشخصاً متفاوت با «لایه های نازک» می باشند. در لایه های نازک انحراف از خواص حجمی ماده مربوطه، به واسطه ضخامت کم، نسبت سطح به حجم زیاد، و ساختار فیزیکی ویژه لایه های نازک (که نتیجه مستقیمی از فرایند رشد آنهاست) می باشد. بعضی از پدیده ها که از پی آمد طبیعی ضخامت کم ناشی می شوند، عبارتند از: تداخل اپتیکی، تونل زدن الکتریکی از میان یک لایه عایق، مقاومت ویژه بالا، ضریب حرارتیِ مقاومت کم، افزایش در میدان مغناطیسی بحرانی و دمای بحرانی ابررساناها، اثر جوزفسون، و آهنربایی شدن سطح.

نسبت سطح به حجم زیاد لایه های نازک، که در نتیجه ضخامت کم و ساختار میکرونی آنهاست، می تواند تعدادی از پدیده ها مانند جذب سطحی گاز، پخش، و فعالیت کاتالیزری را تحت تأثیر قرار دهد.

    ادامه دارد...

منبع:  nano-iran، edu.nano، thinfilm