کوتینگ لایه نازک

لایه نازک لایه ای از مواد است که از کسری از یک نانومتر ( تک لایه ) تا چند میکرومتر ضخامت آن متغیر است. سنتز کنترل شده مواد به عنوان لایه های نازک (فرآیندی که به آن کوتینگ گفته می شود) یک گام اساسی در بسیاری از کاربردها است. خانگی است یک مثال آشنا، آینه که معمولاً دارای یک پوشش فلزی نازک در پشت یک ورق شیشه است تا یک رابط بازتابنده را تشکیل دهد. فرآیند نقره‌کاری زمانی معمولاً برای تولید آینه‌ها مورد استفاده قرار می‌گرفت، در حالی که اخیراً لایه فلزی با استفاده از تکنیک‌هایی مانند کندوپاش کوتینگ می‌کند . پیشرفت‌ها در تکنیک‌های کوتینگ لایه نازک در طول قرن بیستم طیف گسترده‌ای از پیشرفت‌های تکنولوژیکی را در زمینه‌هایی مانند رسانه‌های ضبط مغناطیسی ، دستگاه‌های نیمه‌رسانای الکترونیکی ، دستگاه‌های غیرفعال یکپارچه ، ال‌ای‌دی‌ها ، پوشش‌های نوری (مانند پوشش‌های ضد انعکاس )، پوشش‌های سخت بر روی ابزارهای برش، ممکن ساخته است. و هم برای تولید انرژی (به عنوان مثال سلول های خورشیدی لایه نازک ) و هم برای ذخیره سازی ( باتری های لایه نازک ). همچنین در مورد داروها نیز از طریق به لایه نازک تحویل دارو می گویند به مجموعه ای از لایه های نازک ، چند لایه .

لایه های نازک علاوه بر علاقه کاربردی خود، نقش مهمی در توسعه و مطالعه مواد با خواص جدید و منحصر به فرد دارند. به عنوان مثال می توان به مواد چند آهنی و ابرشبکه هایی اشاره کرد که امکان مطالعه پدیده های کوانتومی را فراهم می کند.

هسته زایی

هسته زایی یک مرحله مهم در رشد است که به تعیین ساختار نهایی یک لایه نازک کمک می کند. بسیاری از روش‌های رشد به کنترل هسته‌زایی مانند اپیتاکسی لایه اتمی (کوتینگ لایه اتمی) متکی هستند. هسته را می توان با مشخص کردن فرآیند سطحی جذب ، دفع و انتشار سطحی مدل کرد .

جذب و دفع

جذب برهمکنش یک اتم یا مولکول بخار با سطح زیرلایه است. این تعامل با ضریب چسبندگی مشخص می شود ، کسری از گونه های ورودی که از نظر حرارتی با سطح متعادل می شوند. دفع، جذب را معکوس می کند، جایی که یک مولکول قبلاً جذب شده بر انرژی مرزی غلبه کرده و سطح بستر را ترک می کند.

دو نوع جذب، جذب فیزیکی و جذب شیمیایی ، با قدرت برهمکنش های اتمی متمایز می شوند. فیزیجذب پیوند واندروالس بین یک مولکول کشیده یا خم شده و سطحی که با انرژی جذب مشخص می شود را توصیف می کند. E پ . مولکول های تبخیر شده به سرعت انرژی جنبشی خود را از دست می دهند و انرژی آزاد آن را با پیوند با اتم های سطحی کاهش می دهند. جذب شیمیایی انتقال الکترون قوی (پیوند یونی یا کووالانسی) مولکول با اتم‌های زیرلایه را توصیف می‌کند که با انرژی جذب مشخص می‌شود. E ج . فرآیند فیزیکی و جذب شیمیایی را می توان با انرژی پتانسیل به عنوان تابعی از فاصله مشاهده کرد. فاصله تعادل برای جذب فیزیکی بیشتر از سطح جذب شیمیایی است. انتقال از حالت جذب فیزیکی به حالت جذب شیمیایی توسط سد انرژی موثر اداره می شود E آ .

سطوح کریستالی دارای محل اتصال خاص با بزرگتر هستند E آ مقادیری که ترجیحاً توسط مولکول های بخار پر می شوند تا انرژی آزاد کلی کاهش یابد. این مکان های پایدار اغلب در لبه های پله، جای خالی و دررفتگی پیچ ها یافت می شوند. پس از پر شدن پایدارترین مکان ها، برهمکنش آداتوم-آداتوم (مولکول بخار) مهم می شود. ^[2]

مدل های هسته زایی

سینتیک هسته را می توان تنها با در نظر گرفتن جذب و دفع مدل سازی کرد. ابتدا موردی را در نظر بگیرید که در آن هیچ تعامل متقابل adatom ، هیچ خوشه‌بندی یا تعاملی با لبه‌های پله وجود ندارد.

نرخ تغییر چگالی سطح آداتوم n ، جایی که جی شار خالص است، تی آ میانگین طول عمر سطح قبل از دفع و پ ضریب چسبندگی است:

د n د تی = جی پ – n تی آ

n = جی پ تی آ [ 1 – انقضا ⁡ ( – تی تی آ ) ] n = جی پ تی آ [ انقضا ⁡ ( – تی تی آ ) ] 

جذب را می توان با ایزوترم های مختلفی مانند مدل لانگمویر و مدل BET نیز مدلسازی کرد . مدل لانگمویر یک ثابت تعادل را استخراج می کند ب بر اساس واکنش جذب آداتوم بخار با فضای خالی روی سطح بستر. مدل BET بیشتر گسترش می‌یابد و اجازه می‌دهد آداتوم‌ها روی آداتوم‌هایی که قبلاً جذب شده‌اند، بدون تعامل بین توده‌های اتم‌های مجاور، رسوب کنند. پوشش سطح به دست آمده از نظر فشار بخار تعادلی و فشار اعمالی است.

مدل لانگمویر که در آن پ آ فشار بخار آداتوم های جذب شده است:

من = ب پ آ ( 1 + ب پ آ ) 

مدل BET که در آن پ ه فشار بخار تعادلی آداتوم های جذب شده است و پ فشار بخار اعمالی آداتوم های جذب شده است:

من = ایکس پ ( پ ه – پ ) [ 1 + ( ایکس – 1 ) پ پ ه ] 

به عنوان یک نکته مهم، کریستالوگرافی سطح و با توده متفاوت است تا انرژی های الکترونیکی رایگان و باند را به دلیل شکسته شدن پیوندها در سطح به حداقل برساند. این می تواند منجر به یک موقعیت تعادل جدیدی شود که به عنوان “selvedge” شناخته می شود، که در آن تقارن شبکه توده ای موازی حفظ می شود. این پدیده می تواند باعث انحراف از محاسبات نظری هسته زایی شود. ^[1]

انتشار سطحی

انتشار سطحی حرکت جانبی اتم های جذب شده را توصیف می کند که بین حداقل انرژی روی سطح زیرلایه حرکت می کنند. انتشار به آسانی بین موقعیت هایی با کمترین موانع بالقوه مداخله ای رخ می دهد. انتشار سطحی را می توان با استفاده از پراکندگی یونی با زاویه نگاه اندازه گیری کرد. میانگین زمان بین رویدادها را می توان با موارد زیر توصیف کرد: ^[1]

تی د = ( 1 / v 1 ) انقضا ⁡ ( E د / ک تی س ) 

علاوه بر مهاجرت آداتوم، خوشه‌های آداتوم می‌توانند با هم ادغام یا تخلیه شوند. ادغام خوشه از طریق فرآیندهایی، مانند رسیدن و تف جوشی استوالد، در پاسخ به کاهش انرژی سطح کل سیستم رخ می دهد. بازسازی استوالد فرآیندی را توصیف می کند که در آن جزایر آداتوم ها با اندازه های مختلف به جزایر کوچکتر تبدیل می شوند و به جزایر کوچکتر تبدیل می شوند. تف جوشی مکانیزم ادغام هنگام تماس و پیوستن جزایر است. ^[1]

کوتینگ

عمل اعمال یک لایه نازک بر روی یک سطح، رسوب لایه نازک است – هر روشی برای رسوب یک لایه نازک از مواد بر روی یک بستر یا بر روی لایه های قبلی. “نازک” یک اصطلاح نسبی است، اما بیشتر تکنیک های رسوب گذاری ضخامت لایه را در چند ده نانومتر کنترل می کنند . اپیتاکسی پرتو مولکولی ، روش لانگمویر-بلاجت ، رسوب لایه اتمی و رسوب لایه مولکولی اجازه می دهد تا یک لایه واحد از اتم ها یا مولکول ها در یک زمان رسوب کنند.

در ساخت اپتیک برای پوشش های بازتابنده ، ضد انعکاس یا شیشه های خود تمیز شونده ( به عنوان مثال )، الکترونیک (لایه های عایق ، نیمه هادی ها و هادی ها از مدارهای مجتمع )، بسته بندی (به عنوان مثال، فیلم PET با پوشش آلومینیومی استفاده می شود. و در هنر معاصر (به کار لری بل مراجعه کنید ). فرآیندهای مشابهی گاهی اوقات در مواردی که ضخامت مهم نیست استفاده می شود: به عنوان مثال، تصفیه مس با آبکاری الکتریکی ، و رسوب سیلیکون و اورانیوم غنی شده توسط یک فرآیند مشابه CVD پس از پردازش فاز گاز.

تکنیک های رسوب دهی بسته به اینکه فرآیند در درجه اول شیمیایی یا فیزیکی است به دو دسته کلی تقسیم می شوند . ^[3]

کوتینگ شیمیایی

در اینجا، یک پیش ساز سیال در یک سطح جامد دچار تغییر شیمیایی می شود و یک لایه جامد باقی می ماند. یک مثال روزمره، تشکیل دوده بر روی یک جسم خنک زمانی است که در داخل شعله قرار می گیرد. از آنجایی که سیال جسم جامد را احاطه می کند، رسوب در هر سطحی اتفاق می افتد، بدون توجه به جهت. لایه‌های نازک حاصل از روش‌های رسوب شیمیایی هم‌نوع به جای جهت‌دار، هستند .

رسوب شیمیایی بیشتر بر اساس فاز پیش ساز طبقه بندی می شود:

آبکاری متکی به پیش سازهای مایع است که اغلب محلولی از آب با نمک فلزی است که قرار است رسوب کند. برخی از فرآیندهای آبکاری به طور کامل توسط معرف های موجود در محلول هدایت می شوند (معمولاً برای فلزات نجیب )، اما از نظر تجاری مهم ترین فرآیند آبکاری الکتریکی است . در تولید نیمه هادی، شکل پیشرفته آبکاری به نام رسوب الکتروشیمیایی در حال حاضر برای ایجاد سیم های رسانای مسی در تراشه های پیشرفته استفاده می شود و جایگزین فرآیندهای رسوب شیمیایی و فیزیکی که در نسل های قبلی تراشه برای سیم های آلومینیومی استفاده می شد [4 ^]

رسوب محلول شیمیایی (CSD) یا رسوب حمام شیمیایی (CBD) از یک پیش ماده مایع، معمولاً محلولی از پودرهای آلی فلزی حل شده در یک حلال آلی استفاده می کند. این یک فرآیند لایه نازک نسبتا ارزان و ساده است که فازهای کریستالی دقیقی از نظر استوکیومتری تولید می کند. این روش همچنین به عنوان روش سل-ژل شناخته می شود زیرا «سل» (یا محلول) به تدریج به سمت تشکیل یک سیستم دو فازی ژل مانند تکامل می یابد.

روش لانگمویر -بلاجت از مولکول های شناور در بالای یک زیر فاز آبی استفاده می کند. چگالی بسته‌بندی مولکول‌ها کنترل می‌شود و تک لایه بسته‌شده روی یک بستر جامد با خروج کنترل‌شده زیرلایه جامد از زیر فاز منتقل می‌شود. این اجازه می دهد تا لایه های نازکی از مولکول های مختلف مانند نانوذرات، پلیمرها و لیپیدها با چگالی بسته بندی ذرات کنترل شده و ضخامت لایه ایجاد شود. ^[5]

پوشش اسپین یا ریخته‌گری چرخشی، از یک پیش‌ساز مایع یا پیش‌ساز سل-ژل استفاده می‌کند که بر روی یک بستر صاف و مسطح قرار می‌گیرد که متعاقباً با سرعت بالا چرخانده می‌شود تا محلول را به صورت گریز از مرکز بر روی بستر پخش کند. سرعت چرخش محلول و ویسکوزیته سل تعیین کننده ضخامت نهایی فیلم کوتینگ شده است. برای افزایش ضخامت لایه ها به دلخواه می توان کوتینگ های مکرر را انجام داد. عملیات حرارتی اغلب به منظور تبلور فیلم پوشش دار اسپین آمورف انجام می شود. چنین فیلم‌های کریستالی می‌توانند جهت‌گیری‌های ترجیحی خاصی را پس از تبلور روی بسترهای تک کریستالی نشان دهند . ^[6]

پوشش غوطه‌وری شبیه پوشش اسپین است که یک پیش‌ساز مایع یا پیش‌ساز سل-ژل روی یک بستر کوتینگ می‌کند، اما در این حالت بستر کاملاً در محلول غوطه‌ور می‌شود و سپس تحت شرایط کنترل‌شده خارج می‌شود. با کنترل سرعت خروج، شرایط تبخیر (عمدتاً رطوبت، دما) و فراریت/ویسکوزیته حلال، ضخامت لایه، همگنی و مورفولوژی نانوسکوپی کنترل می‌شوند. دو رژیم تبخیر وجود دارد: منطقه مویرگی در سرعت‌های خروج بسیار پایین و منطقه تخلیه با سرعت‌های تبخیر سریع‌تر. ^[7]

رسوب بخار شیمیایی (CVD) به طور کلی از یک پیش ساز فاز گاز، اغلب هالید یا هیدرید عنصری که قرار است ته نشین شود، استفاده می کند. در مورد MOCVD از یک گاز آلی فلزی استفاده می شود. تکنیک های تجاری اغلب از فشار بسیار پایین گاز پیش ساز استفاده می کنند.

CVD افزایش یافته پلاسما (PECVD) از بخار یونیزه شده یا پلاسما به عنوان پیش ساز استفاده می کند. برخلاف مثال دوده بالا، PECVD تجاری مایکروویو برای تولید پلاسما به جای واکنش شیمیایی، به وسایل الکترومغناطیسی (جریان الکتریکی، تحریک ) متکی است.

رسوب لایه اتمی (ALD)، و روش مشابه آن، کوتینگ لایه مولکولی (MLD)، از پیش ساز گازی برای رسوب لایه نازک منسجم در یک زمان استفاده می کند. فرآیند به دو نیمه واکنش تقسیم می شود، به ترتیب اجرا می شود و برای هر لایه تکرار می شود تا قبل از شروع لایه بعدی، از اشباع کامل لایه اطمینان حاصل شود. بنابراین ابتدا یک واکنش دهنده رسوب می کند و سپس واکنش دهنده دوم رسوب می کند که طی آن یک واکنش شیمیایی روی بستر رخ می دهد و ترکیب مورد نظر را تشکیل می دهد. در نتیجه گام به گام، روند کندتر از CVD است، با این حال برخلاف CVD می توان آن را در دماهای پایین اجرا کرد.

کوتینگ فیزیکی

رسوب فیزیکی از ابزارهای مکانیکی، الکترومکانیکی یا ترمودینامیکی برای تولید یک لایه نازک جامد استفاده می کند. یک مثال روزمره، تشکیل یخبندان است . از آنجایی که بیشتر مواد مهندسی با انرژی‌های نسبتاً بالا کنار هم نگه داشته می‌شوند و واکنش‌های شیمیایی برای ذخیره این انرژی‌ها استفاده نمی‌شود، سیستم‌های کوتینگ فیزیکی تجاری برای عملکرد مناسب به یک محیط بخار کم فشار نیاز دارند. اکثر آنها را می توان به عنوان رسوب فیزیکی بخار (PVD) طبقه بندی کرد.

ماده ای که قرار است ته نشین شود در یک محیط پرانرژی و آنتروپیک قرار می گیرد ، به طوری که ذرات ماده از سطح آن فرار می کنند. روبه روی این منبع، سطح خنک تری قرار دارد که با رسیدن این ذرات انرژی می گیرد و به آنها اجازه می دهد یک لایه جامد تشکیل دهند. کل سیستم در یک محفظه کوتینگ در خلاء نگهداری می شود تا به ذرات اجازه دهد تا آزادانه حرکت کنند. از آنجایی که ذرات تمایل دارند مسیر مستقیمی را دنبال کنند، فیلم‌هایی که به وسیله ابزارهای فیزیکی رسوب می‌شوند، معمولا جهت‌دار هستند ، نه منسجم .

نمونه هایی از رسوب فیزیکی عبارتند از:

حرارتی یک اواپراتور که از یک بخاری با مقاومت الکتریکی برای ذوب کردن مواد و افزایش فشار بخار آن به محدوده مفید استفاده می کند. این کار در خلاء زیاد انجام می‌شود، هم برای اینکه بخار بدون واکنش یا پراکندگی در برابر سایر اتم‌های فاز گاز در محفظه به زیرلایه برسد و هم از ادغام ناخالصی‌های گاز باقیمانده در محفظه خلاء بکاهد. بسیار بالاتر بدیهی است که فقط موادی با فشار بخار از عنصر گرمایش می توانند بدون آلودگی فیلم کوتینگ کنند. اپیتاکسی پرتو مولکولی یک شکل بسیار پیچیده از تبخیر حرارتی است.

یک تبخیر کننده پرتو الکترونی یک پرتو پرانرژی را از یک تفنگ الکترونی پرتاب می کند تا یک نقطه کوچک از مواد را بجوشاند. از آنجایی که گرمایش یکنواخت نیست، با فشار بخار می توان مواد کمتر را کوتینگ داد. پرتو معمولاً از طریق زاویه 270 درجه خم می شود تا اطمینان حاصل شود که رشته تفنگ مستقیماً در معرض شار تبخیرکننده قرار نمی گیرد. نرخ کوتینگ معمولی برای تبخیر پرتو الکترونی از 1 تا 10 نانومتر در ثانیه است.

در اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE)، جریان های آهسته یک عنصر را می توان به سمت زیرلایه هدایت کرد، به طوری که ماده در هر بار یک لایه اتمی را کوتینگ می دهد. ترکیباتی مانند آرسنید گالیوم معمولاً با اعمال مکرر لایه ای از یک عنصر (یعنی گالیوم )، سپس لایه ای از عنصر دیگر (یعنی آرسنیک ) کوتینگ می کنند، به طوری که فرآیند شیمیایی و همچنین فیزیکی باشد. این به عنوان رسوب لایه اتمی نیز شناخته می شود . اگر پیش سازهای مورد استفاده آلی باشند، این روش را کوتینگ لایه مولکولی می نامند . پرتو مواد را می توان به دو وسیله فیزیکی (یعنی توسط کوره ) و یا توسط یک واکنش شیمیایی ( اپیتاکسی پرتو شیمیایی ) تولید کرد.

کندوپاش متکی به یک پلاسما (معمولا یک گاز نجیب مانند آرگون ) است تا چند اتم را در یک زمان از یک “هدف” خارج کند. هدف را می توان در دمای نسبتاً پایین نگه داشت، زیرا فرآیند تبخیر نیست و این را به یکی از انعطاف پذیرترین تکنیک های کوتینگ دهی تبدیل می کند. این به ویژه برای ترکیبات یا مخلوط ها مفید است، جایی که اجزای مختلف در غیر این صورت تمایل به تبخیر با سرعت های مختلف دارند. توجه داشته باشید، پوشش گام های کندوپاش کم و بیش مطابقت دارد. همچنین به طور گسترده در رسانه های نوری استفاده می شود. ساخت تمامی فرمت های CD، DVD و BD با کمک این تکنیک انجام می شود. این یک تکنیک سریع است و همچنین کنترل ضخامت خوبی را فراهم می کند. در حال حاضر گازهای نیتروژن و اکسیژن نیز در کندوپاش استفاده می شوند.

سیستم‌های کوتینگ لیزر پالسی با فرآیند فرسایش کار می‌کنند . پالس های نور لیزر متمرکز ، سطح ماده مورد نظر را تبخیر کرده و آن را به پلاسما تبدیل می کند. این پلاسما معمولاً قبل از رسیدن به زیرلایه به گاز تبدیل می شود. ^[9]

کوتینگ دهی قوس کاتدی (arc-PVD) که نوعی کوتینگ پرتو یونی است که در آن یک قوس الکتریکی ایجاد می شود که به معنای واقعی کلمه یون ها را از کاتد منفجر می کند. بسیار بالایی است این قوس دارای چگالی توان که منجر به سطح بالایی از یونیزاسیون (30-100٪)، یون های باردار چند برابر، ذرات خنثی، خوشه ها و ذرات ماکرو (قطرات) می شود. اگر یک گاز راکتیو در طی فرآیند تبخیر وارد شود، تفکیک ، یونیزاسیون و تحریک می‌تواند در طول برهمکنش با شار یونی رخ دهد و یک لایه ترکیبی کوتینگ می‌کند.

کوتینگ الکتروهیدرودینامیک (کوتینگ الکترواسپری) یک فرآیند نسبتا جدید از کوتینگ لایه نازک است. مایعی که قرار است ته نشین شود، چه به صورت محلول نانوذره یا به صورت ساده، به یک نازل مویرگی کوچک (معمولاً فلزی) که به یک ولتاژ بالا متصل است، وارد می شود. بستری که فیلم باید روی آن قرار گیرد به زمین متصل است. در اثر میدان الکتریکی، مایعی که از نازل خارج می‌شود، شکل مخروطی به خود می‌گیرد ( مخروط تیلور ) و در راس مخروط یک جت نازک ساطع می‌شود که تحت تأثیر محدودیت بار رایلی به قطرات بسیار ریز و کوچک با بار مثبت متلاشی می‌شود. . قطرات کوچکتر و کوچکتر می شوند و در نهایت به عنوان یک لایه نازک یکنواخت روی بستر کوتینگ می کنند.

حالت های رشد

رشد فرانک وان در مروه ^{[10] [11] [12]} (“لایه به لایه”). در این حالت رشد، برهمکنش‌های جذب سطحی و جذب سطحی متعادل می‌شوند. این نوع رشد نیاز به تطبیق شبکه دارد و از این رو مکانیزم رشد “ایده آل” در نظر گرفته می شود.

رشد Stranski–Krastanov ^[13] (“جزایر مشترک” یا “لایه به اضافه جزیره”). در این حالت رشد، برهمکنش‌های جذب سطحی قوی‌تر از برهمکنش‌های جذب سطحی هستند.

Volmer–Weber ^[14] (“جزایر منزوی”). در این حالت رشد، برهمکنش‌های جذب-جذب قوی‌تر از برهمکنش‌های جذب سطحی هستند، از این رو «جزایر» بلافاصله تشکیل می‌شوند.

اپیتاکسی

زیرمجموعه ای از فرآیندها و کاربردهای کوتینگ لایه نازک بر رشد به اصطلاح اپیتاکسیال مواد متمرکز شده است. کوتینگ لایه های نازک کریستالی که به دنبال ساختار کریستالی زیرلایه رشد می کنند. اصطلاح epitaxy از ریشه یونانی epi (ἐπί) به معنای “بالا” و taxis (τάξις) به معنای “روش منظم” گرفته شده است. می توان آن را به عنوان “ترتیب بر” ترجمه کرد.

اصطلاح هومواپیتاکسی به حالت خاصی اطلاق می شود که در آن فیلمی از همان ماده روی یک کریستال رشد می کند. لایه. از این فناوری، به عنوان مثال، برای رشد فیلمی استفاده می شود که خالص تر از بستر، چگالی کمتری دارد. از عیوب، و برای ساخت لایه هایی با سطوح مختلف دوپینگ. هترواپیتاکسی به حالتی اطلاق می‌شود که در آن فیلم کوتینگ با بستر متفاوت است.

تکنیک های مورد استفاده برای رشد اپیتاکسیال لایه های نازک شامل اپیتاکسی پرتو مولکولی ، کوتینگ شیمیایی بخار ، و کوتینگ لیزر پالسی .

استرس و فشار

لایه های نازک ممکن است به صورت دو محوره از طریق تنش های ناشی از سطح مشترک آنها با یک بستر بارگذاری شوند. نامناسب لایه های نازک اپیتاکسیال ممکن است تنش های ناشی از کرنش های بین شبکه های همدوس لایه و بستر را تجربه کنند. تنش حرارتی در لایه‌های نازکی که در دماهای بالا رشد می‌کنند به دلیل تفاوت در ضرایب انبساط حرارتی با زیرلایه رایج است. تفاوت در انرژی سطحی و رشد و ادغام دانه ها به تنش ذاتی در لایه های نازک کمک می کند. این تنش های ذاتی می توانند تابعی از ضخامت فیلم باشند. ^{[17] [18]}

این تنش‌ها ممکن است کششی یا فشاری باشند و می‌توانند باعث ترک خوردن یا کمانش در میان سایر اشکال کاهش تنش شوند. در فیلم‌های اپیتاکسیال، لایه‌های اتمی در ابتدا ممکن است صفحات شبکه‌ای منسجم با زیرلایه داشته باشند. با این حال، نابجایی‌های نامناسب با ضخامت بحرانی، منجر به کاهش تنش‌ها در فیلم می‌شود.

اندازه گیری تنش و کرنش

تنش‌های موجود در فیلم‌های کوتینگ بر روی بسترهای مسطح مانند ویفر را می‌توان با اندازه‌گیری انحنای ویفر به دلیل کرنش توسط لایه اندازه‌گیری کرد. لیزرها به صورت شبکه ای از ویفر منعکس می شوند و از اعوجاج در شبکه برای محاسبه انحنا استفاده می شود. اندازه‌گیری کرنش در لایه‌های نازک را می‌توان با پراش اشعه ایکس یا با آسیاب بخشی از فیلم از طریق پرتو یونی متمرکز کرد و آرامش را از طریق میکروسکوپ الکترونی روبشی مشاهده کرد.

مهندسی کرنش

تنش و کاهش تنش‌ها در فیلم‌ها می‌تواند بر خواص مواد فیلم، مانند حمل و نقل جرم در میکروالکترونیک کاربردهای ، تأثیر بگذارد. بنابراین اقدامات احتیاطی برای کاهش یا ایجاد چنین تنش‌هایی انجام می‌شود. به عنوان مثال یک لایه بافر ممکن است بین بستر و فیلم قرار گیرد. ^[18] مهندسی کرنش همچنین برای تولید ساختارهای فاز و دامنه مختلف در لایه‌های نازک مانند ساختار حوزه فروالکتریک سرب زیرکونات تیتانات (PZT) استفاده می‌شود.

برنامه های کاربردی

پوشش های تزئینی

استفاده از لایه های نازک برای پوشش های تزئینی احتمالاً قدیمی ترین کاربرد آنها را نشان می دهد. این حدود حدودا را در بر می گیرد. برگ های نازک 100 نانومتری طلا که قبلاً در هند باستان بیش از 5000 سال پیش استفاده می شد. همچنین ممکن است به عنوان هر شکلی از نقاشی درک شود، اگرچه این نوع کار به طور کلی به عنوان یک هنر هنری در نظر گرفته می شود تا یک رشته مهندسی یا علمی. امروزه، مواد لایه نازک با ضخامت متغیر و ضریب شکست بالا مانند دی اکسید تیتانیوم اغلب برای پوشش‌های تزئینی روی شیشه استفاده می‌شوند و ظاهری رنگین کمانی مانند روغن روی آب ایجاد می‌کنند. علاوه بر این، سطوح طلایی رنگ غیر شفاف را می توان با پاشیدن طلا یا نیترید تیتانیوم تهیه کرد .

پوشش های نوری

این لایه ها در هر دو سیستم بازتابی و انکساری عمل می کنند . های بزرگ (بازتابنده) آینه در قرن نوزدهم در دسترس قرار گرفتند و با پاشیدن نقره فلزی یا آلومینیوم روی شیشه تولید می شدند. عدسی‌های انکساری برای ابزارهای نوری مانند دوربین‌ها و میکروسکوپ‌ها معمولاً انحرافات ، یعنی رفتار انکساری غیر ایده‌آل را نشان می‌دهند. لنزها در امتداد مسیر نوری ردیف می‌شدند، امروزه پوشش لنزهای نوری با چند لایه شفاف دی اکسید تیتانیوم، سیلیکون یا اکسید سیلیکون و غیره ممکن است ^{نیترید اصلاح در حالی که قبلاً باید مجموعه‌های بزرگی از کند این} انحرافات را . یک مثال شناخته شده برای پیشرفت در سیستم های نوری توسط فناوری لایه نازک تنها با لنز عریض چند میلی متری در دوربین های تلفن های هوشمند نشان داده شده است . نمونه های دیگر با پوشش های ضد انعکاس روی عینک ها یا پنل های خورشیدی ارائه شده است .

پوشش های محافظ

لایه های نازک اغلب برای محافظت از قطعه کار زیرین در برابر تأثیرات خارجی قرار می گیرند. حفاظت ممکن است با به حداقل رساندن تماس با محیط خارجی به منظور کاهش انتشار از محیط به قطعه کار یا بالعکس عمل کند. به عنوان مثال، بطری های لیموناد پلاستیکی اغلب با لایه های ضد انتشار پوشانده می شوند تا از انتشار خارج CO ₂ جلوگیری شود، که در آن اسید کربنیک که تحت فشار بالا وارد نوشیدنی شده است، تجزیه می شود. مثال دیگر با لایه‌های نازک قلع در تراشه‌های میکروالکترونیکی نشان داده می‌شود که خطوط آلومینیوم رسانای الکتریکی را از عایق SiO ₂ جدا می‌کند تا تشکیل Al ₂ O ₃ را سرکوب کند . اغلب، لایه های نازک به عنوان محافظ در برابر سایش بین قطعات متحرک مکانیکی عمل می کنند. نمونه هایی برای کاربرد دوم، لایه های کربن الماس مانند (DLC) هستند که در موتورهای خودروها یا لایه های نازک ساخته شده از نانوکامپوزیت ها استفاده می شوند .

پوشش های الکتریکی

لایه های نازک از فلزات عنصری مانند مس، آلومینیوم، طلا یا نقره و غیره و آلیاژها کاربردهای زیادی در دستگاه های الکتریکی پیدا کرده اند. به دلیل رسانایی الکتریکی بالا ، آنها قادر به انتقال جریان الکتریکی یا ولتاژ تغذیه هستند. لایه‌های فلزی نازک در سیستم‌های الکتریکی معمولی، به عنوان مثال، به‌عنوان لایه‌های مس روی بردهای مدار چاپی ، به عنوان رسانای زمین بیرونی در کابل‌های کواکسیال و اشکال مختلف دیگر مانند سنسورها و غیره ^{می‌شوند} . استفاده دستگاه ها و مدارهای مجتمع ، ^[23] که در آن شبکه الکتریکی در میان دستگاه های فعال و غیرفعال مانند ترانزیستورها و خازن ها و غیره از لایه های نازک Al یا Cu ساخته شده است. چند نانومتری قرار می‌گیرند این لایه‌ها دارای ضخامت‌هایی در محدوده 100 نانومتر تا چند میکرومتر هستند و اغلب در لایه‌های نازک نیترید تیتانیوم تا از واکنش شیمیایی با دی الکتریک اطراف مانند SiO2 جلوگیری _کنند . شکل یک میکروگراف از یک پشته فلزی TiN/Al/TiN با ساختار جانبی در یک تراشه میکروالکترونیکی را نشان می‌دهد. ^[21]

ساختارهای ناهمگن نیترید گالیوم و نیمه هادی های مشابه می توانند منجر به اتصال الکترون ها به یک لایه زیر نانومتریک شوند و به طور موثر به عنوان یک گاز الکترونی دو بعدی رفتار کنند . اثرات کوانتومی در چنین لایه‌های نازکی می‌تواند به طور قابل‌توجهی تحرک الکترون را در مقایسه با کریستال حجیم، که در ترانزیستورهای با تحرک الکترون بالا به کار می‌رود، افزایش دهد .

بیوسنسورها و دستگاه های پلاسمونیک

لایه های نازک فلز نجیب در ساختارهای پلاسمونیکی مانند تشدید پلاسمون سطحی سنسورهای (SPR) استفاده می شود. پلاریتون های پلاسمون سطحی امواج سطحی در رژیم نوری هستند که در بین رابط های فلز-دی الکتریک منتشر می شوند. در پیکربندی Kretschmann-Raether برای حسگرهای SPR، یک منشور از طریق تبخیر با یک فیلم فلزی پوشانده شده است. به دلیل ویژگی‌های چسبندگی ضعیف فیلم‌های فلزی، از لایه‌های ژرمانیوم ، تیتانیوم یا کروم به عنوان لایه‌های میانی برای تقویت چسبندگی قوی‌تر استفاده می‌شود. لایه‌های نازک فلزی نیز در طرح‌های موجبر پلاسمونیک استفاده می‌شوند .

سلول های فتوولتائیک لایه نازک

فن آوری های لایه نازک نیز به عنوان وسیله ای برای کاهش قابل توجه هزینه سلول های خورشیدی در حال توسعه هستند . دلیل این امر این است که سلول های خورشیدی لایه نازک به دلیل کاهش هزینه های مواد، هزینه های انرژی، هزینه های جابجایی و هزینه های سرمایه ای ارزان تر هستند. این امر به ویژه در استفاده از فرآیندهای الکترونیک چاپی ( رول به رول ) نشان داده می شود. سایر فناوری‌های لایه نازک که هنوز در مراحل اولیه تحقیقات در حال انجام هستند یا با دسترسی تجاری محدود هستند، اغلب به عنوان سلول‌های فتوولتائیک در حال ظهور یا نسل سوم طبقه‌بندی می‌شوند و شامل سلول‌های خورشیدی آلی ، حساس به رنگ ، و سلول‌های خورشیدی پلیمری و همچنین کوانتومی هستند. نقطه ، ^[29] سولفید قلع روی مس ، نانوکریستال و سلول های خورشیدی پروسکایت .

باتری های لایه نازک

فناوری چاپ لایه نازک حالت جامد برای اعمال پلیمرهای لیتیوم بر روی انواع زیرلایه ها برای ایجاد باتری های منحصر به فرد برای کاربردهای تخصصی استفاده می شود. باتری های لایه نازک را می توان مستقیماً روی تراشه ها یا بسته های تراشه در هر شکل یا اندازه ای قرار داد. باتری های انعطاف پذیر را می توان با چاپ روی پلاستیک، فویل فلزی نازک یا کاغذ ساخت.

تشدید کننده های موج صوتی حجیم لایه نازک (TFBARs/FBARs)

برای کوچک‌سازی و کنترل دقیق‌تر فرکانس تشدید کریستال‌های پیزوالکتریک تشدید کننده‌های آکوستیک حجیم لایه نازک، TFBAR/FBAR‌ها برای نوسانگرها، فیلترهای مخابراتی و دوبلکسرها و کاربردهای حسگر توسعه داده شده‌اند.