Témata
Reklama

Funkční materiály pomocí depozice atomových vrstev

Depozice atomových vrstev (ALD – Atomic Layer Deposition) je technologie využívající depozice tenkých vrstev na povrch substrátu s přesností v atomovém měřítku, založená na řadě reakcí výchozí látky v plynném stavu s povrchem substrátu. Většina ALD reakcí používá dvě chemické látky, které se nazývají prekurzory.

ALD nástroj pulzem plynů prekurzorů nanáší film jednu vrstvu po druhé na substrát. První prekurzor se zavede do reakční komory a působením plynu vytvoří první jednolitou vrstvu (monovrstvu) na povrchu substrátu. Poté se do komory zavede druhý prekurzor, ten reaguje s prvním prekurzorem za vzniku další monovrstvy filmu na povrchu substrátu.

Na povrchu substrátu tak probíhají dva základní mechanismy: proces chemického nasycení povrchu a sekvenční povrchové chemické reakce.

Jednotlivé prekurzory reagují s povrchem materiálu, jeden po druhém postupným, samořídicím způsobem. Tím, že během celého procesu povlakování jsou prekurzory odděleny, regulace tloušťky atomové vrstvy filmu může dosáhnout přesnosti na úrovni atomového/molekulárního rozsahu každé vrstvy.

Opakovaným vystavením jednotlivých prekurzorů je film pomalu deponován. Tento proces probíhá v komoře ve vakuu za typických provozních podmínek: rozsah tlaku od 0,1 mbar do atmosférického tlaku, teplotní rozsah od 50 do 350 °C.

Reklama
Reklama
Schéma principu nanášení ALD vrstev

Experimentální příklad

Jednotlivé plynové povrchové reakce s oběma prekurzory se označují jako „poloviční reakce“. Během první poloviční reakce je jeden prekurzor (například trimethylaluminium, Al(CH3)3, obr. 1) pulzován do vakuové komory během určitého časového rozsahu, aby na povrchu zanechal jednolitou vrstvu. Následně je komora čištěna inertním přepravním plynem N2, aby se odstranil prekurzor, který nestihl reagovat, a vedlejší produkty reakce. Pak následuje pulzování druhého prekurzoru (voda, H2O) a čištění. To vede k vytvoření jedné vrstvy požadovaného materiálu (oxid hlinitý, AI2O3). Tento proces je cyklický, dokud se nedosáhne odpovídající tloušťky filmu.

Zařízení pro nanášení ALD vrstev společnosti CTECHnano

Povlakové materiály

Široká škála materiálů může být deponována pomocí technologie ALD. Pro tvorbu anorganických povlaků uveďme příkladem oxidy kovů (Al2O3), nitridy (TiN), karbidy, sulfidy, fluoridy, fosforečnany a kovy (Pt). Substráty mohou být také potaženy multivrstvami různých materiálů. Mezi organické povlaky patří např. polyamid. Dále je možné vytvářet hybridní organicko-anorganické povlaky nebo infiltraci nanočástic.

Příklad aplikace: Al2O3 a TiO2 vrstva na měděném dílci pro zvýšení odolnosti proti korozi

Přednosti technologie ALD

Na rozdíl od chemické depozice z plynné fáze (CVD) a fyzikální depozice z plynné fáze (PVD) je depozice atomových vrstev (ALD) založená na nasycených povrchových reakcích. V tomto případě mechanismus nasycení znamená, že tloušťka filmu je přímo úměrná počtu provedených reakčních cyklů, a nikoli koncentraci reaktantu nebo době růstu jako v případě CVD a PVD. To znamená, že s ALD jsou tenké filmy vytvářeny způsobem jedné vrstvy za druhou, což umožňuje subnanometrovou regulaci tloušťky, dobrou rovnoměrnost a vynikající stupeň pokrytí ve srovnání s CVD a PVD.

Další výhodou ALD je to, že vrstva může být vytvořena při nižších teplotách substrátu ve srovnání s CVD. Vzhledem k tomu, že absorpce prekurzoru na povrch je hlavně tepelně řízena, existuje tzv. ALD teplotní mezera, ve které proces ALD probíhá. Na pokračování ALD procesu je zapotřebí minimální teplota substrátu, avšak pokud je teplota příliš vysoká, dojde k nechtěnému rozkladu reaktantu.

Kromě toho se ALD povlaky vyznačují vynikající přilnavostí a nízkým napětím v důsledku chemického zakotvení prekurzoru do vznikajícího povrchu.

Výsledkem jsou dokonalé filmy bez pórozity, a to i na velmi velkých plochách. Proces je velmi spolehlivý, lze jej snadno opakovat, digitálně ovládat apod.

Společnost CTECHnano ve spolupráci s různými institucemi vyvíjí a vyrábí technologie povlakování.

Dokonalá 3D konformita

Substráty se po depozici vyznačují stoprocentním stupněm krytí, dokonce při vysokém poměru stran, jako 60:1, stoprocentně rovnoměrně lze povlakovat dna a bočnice průchodů a drážek nebo ostré rohy. Rovnoměrné povlaky vznikají i na plochách uvnitř porézních vzorků. Proces je vhodný také pro náročné nebo citlivé substráty, nízká teplota depozice umožňuje lepší kompatibilitu termálního rozptylu. Lze vytvářet velmi tenké filmy, jako 0,5–1 Å (jedna atomová tloušťka) častěji pak 10–50 Å. Vzhledem k požadavkům tenkého filmu je také nízká spotřeba použitých plynů.

Využití tenkých ALD vrstev

Vzhledem k výše uvedeným charakteristikám nachází ALD využití v přípravě vysoce kvalitních tenkých filmů, a to zejména, když je potřebný vynikající stupeň krytí a/nebo nízké teploty zpracování.

Tyto výhody ALD oproti jiným procesům depozice tenkých filmů jsou běžně aplikovány zejména v elektronickém průmyslu polovodičů na přípravu vynikajících dielektrických vrstev. ALD se využívá v průmyslu k výrobě polovodičů High-K dielektrických materiálů.

Vzhledem k pokroku v oblasti návrhu technologie a vývoji prostředků se význam ALD rychle rozšiřuje pro výrobu inovativních materiálů v nanoměřítku. Potenciální využití pro ALD je velmi multidisciplinární. Má nově vznikající potenciál v oblasti fotovoltaických článků, flexibilní elektroniky, zlepšení vlastností skla, papíru a textilu, dekorativních nátěrů, nové generace tranzistorů, senzorů a vyspělé technologie energetických surovin. Inovace, které přinášejí nanotechnologie, přivedly tuto technologii také do oblasti biověd, kde se hned několik aplikací ukázalo jako vhodní kandidáti pro tuto aplikaci.

Potenciální sektory

Je vidět, že kromě již implementovaných řešení v elektronickém průmyslu vznikají další oblasti použití, např. osvětlení (OLED obalení), energie (obalení solárních fotovoltaických článků) nebo optika (ultrareflexní, protireflexní povlaky nebo povlaky proti poškrábání).

Kromě toho se první využití objevují také v energetice (baterie, elektrody), biotechnologii, senzorech, hutnictví a dalších odvětvích.

CTECH je společnost poskytující řešení pro tenkovrstvé povlaky pomocí depozice atomové vrstvy (ALD). V rámci VaV projektů se společnost věnuje vývoji nových povlakových postupů, zlepšování stávajících ALD procesů, poprodejní podpoře a poradenství v oblasti procesech tenkovrstvých povlaků. V oblasti povlakování se společnost zaměřuje na design, výrobu, montáž, testování a dodávky technologie povlakování.

Aby toto všechno byla společnost schopna zaštítit, disponuje odpovídajícím týmem a strategickými partnery. Příkladem uveďme výzkumné centrum CIC nanoGUNE ve Španělsku, zaměřené na nanovědy a nanotechnologie. Vědci a odborní technici v ALD přicházejí z výzkumné skupiny Nanomateriály pod vedením profesora Mata Kneze. Kanceláře a plně vybavené laboratoře společnosti CTECHnano jsou uvnitř zařízení CIC nanoGUNE.

Dalším partnerem je společnost AVS, která navrhuje a vyrábí sofistikovaná zařízení pro vědecké aplikace. Cadinox je průmyslová společnost zabývající se výrobou mechanických dílů s orientací na přidanou hodnotou. Oba přispívají k CTECHnano s lidmi podílejícími se na obecných aspektech elektromechanického navrhování, výroby dílů a montážního nářadí ve svých zařízeních. Mají hluboké znalosti technologií spojených s ALD.

CTECHnano

David Talavera

ctechnano@ctechnano.com

www.ctechnano.com

Reklama
Související články
Předúprava oceli nízkoteplotním plazmatem pro zvýšení pevnosti lepeného spoje

V příspěvku jsou shrnuty výsledky výzkumu vlivu plazmochemické předúpravy vzorků oceli DC01 na výslednou pevnost lepeného spoje. Pro předúpravu povrchu vzorků oceli byla použita RF štěrbinová tryska generující plazma. Jako pracovní plyn byl použit argon a argon v kombinacích s dusíkem nebo kyslíkem. Vliv plazmové předúpravy na povrch oceli byl vyhodnocen pomocí měření kontaktních úhlů a výpočtu volné povrchové energie. Po slepení vzorků oceli pomocí běžně užívaného lepidla Weicon Flex 310M HT200 byly testovány výsledné vlastnosti lepeného spoje pomocí standardních mechanických odtrhových testů podle ČSN EN 1465.

Vakuové odpařování - technologie budoucnosti

Vakuové odpařování je v České republice poměrně málo používaná technologie. Má však velký potenciál pro budoucí rozšíření. Tato technologie nachází využití v povrchových úpravách, chemickém, strojírenském, potravinářském a farmaceutickém průmyslu. Firma Kovofiniš je jednou z prvních českých firem, která nabízí vlastní vakuové odparky.

Princip laserového čištění a jeho možnosti

Laserové čištění patří mezi mladé technologie, jež nacházejí stále nové uplatnění nejen v průmyslu. Hlavním důvodem jsou nízké provozní náklady, ekologická šetrnost k životnímu prostředí a v neposlední řadě šetrnost k čištěnému materiálu oproti konvenčním metodám.

Související články
Výrobní laserové technologie

Výrobní laserové technologie lze dělit mnoha způsoby-, podle použitého výkonu, délky pulzu nebo interakce s materiálem. Nejjednodušší způsob rozdělení laserových technologií je do tří skupin: dělení a odebírání materiálu, spojování materiálu a úprava povrchu materiálu. Vzhledem k rozmanitosti využití laseru není toto dělení zcela jednoznačné a existuje několik dalších technologií, které se nacházejí mezi těmito kategoriemi.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Moderní způsoby ochrany vysokopevných ocelí

V posledních letech je v automobilovém průmyslu kladen stále větší důraz na snižování hmotnosti vozu, potažmo spotřeby a z ní plynoucích emisí, za současného zvýšení bezpečnosti posádky. Jednou z možností, jak splnit tyto požadavky, je nahrazení starých materiálů používaných pro výrobu určitých komponentů za nové, pevnější. Díl z pevnějšího materiálu může být tenčí a potažmo i lehčí oproti dílu původnímu, ale současně je schopen vydržet stejné, nebo i větší namáhání.

Průmyslové využití nejvýkonnějších laserů

Již několik desetiletí jsme svědky postupného nabývání významu a upevňování pozice laserů nejen v průmyslových provozech, ale i ve zdravotnictví, metrologii a mnoha dalších oblastech. Na stránkách tohoto vydání je uvedeno hned několik možností jejich využití, všechny jsou však velmi vzdálené možnostem laserů vyvíjených v centru HiLASE. V Dolních Břežanech u Prahy totiž vyvíjejí „superlasery“.

Sputtering v oblasti moderního PVD povlakování

V současné době jsou vysoce výkonné povlaky vyráběny celou škálou metod. Proces magnetronového naprašování (sputtering) umožňuje kombinovat různé povlakovací materiály a přitom poskytuje optimální pružnost a tvrdost povlaku. Ukázal se tak velmi efektivním pro mnoho aplikací.

Pokročilé mazání pro úspornost a spolehlivost

Věda a výzkum přinášejí zcela unikátní řešení i pro procesy zdánlivě zavedené a v oblastech, kde by inovace laik neočekával. Každý pozitivní a použitelný krok ke zlepšení klimatické situace naší planety je přínosem a jednou z nesmírně efektivních, užitečných, a vlastně poměrně snadných a finančně nenáročných záležitostí. Takovými by mohly být aplikace pokročilých tribologických řešení především pro dopravu, průmysl a výrobu energií.

Téma: technologie pro výrobu forem

Díly, součásti či výrobky, které spatřily světlo světa díky tomu, že byly vylisovány, odlity či vykovány ve formě, jsou doslova všude kolem nás. Forma je zařízení často velmi složité a komplexní a k její výrobě je potřeba řada špičkových technologií. Následující článek představuje některé z nich.

Odhrotování výbuchem

Odhrotování výbuchem se odborně nazývá termické odhrotování (TEM). Jde o vysoce výkonnou a maximálně produktivní metodu odhrotování menších, tvarově složitých, jednoduchých i velmi náročných výrobků, na které jsou kladeny ty nejvyšší požadavky z hlediska čistoty, kvality, a ekonomiky výroby. Tato nekonvenční metoda je schopna stoprocentně zajistit, že se později v zabudovaných součástkách nic neuvolní. Používá se zejména po třískovém obrábění železných i neželezných kovů nebo po středním či vysokotlakém lití menších neželezných odlitků.

Laserová i optická řešení a mnohem více

Pravidelné podzimní dny otevřených dveří uspořádala pro své současné i potenciální zákazníky koncem září společnost Lascam systems. Po tři dny mohli zájemci o laserové technologie navštěvovat showroom dceřiné společnosti Elya Solutions v Horních Počernicích, kde bylo v provozu více než sedm různých aplikací dceřiných i zastupujících společností. Jednotlivá stanoviště prezentovala široké portfolio aplikací a služeb, jež integrátorská společnost Lascam nabízí.

Prostor pro laserovou automatizace je stále obrovský

Česká společnost Lascam systems se zabývá zejména dodávkami laserových zařízení pro obrábění kovů a plastů. Byla včas u rozvoje moderních laserových technologií a dnes pomáhá firmám s integrací laserových aplikací do výrobních procesů. Podle slov obchodního ředitele společnosti Karola Flimela se považují spíše za dodavatele řešení než distributora jednotlivých zařízení a za největší výzvu považují složité inovativní projekty, které přinášejí nový způsob výroby.

Lasery a optika v průmyslu

Měsíc květen se nesl ve znamení zákaznických setkání, dnů otevřených dveří, seminářů a konferencí. Také společnost Lascam v tomto jarním měsíci uspořádala dvoudenní konferenci. Již druhý ročník ve svém názvu Lasery + optika v průmyslu skrývá témata, která byla na pořadu dne. Představitelé významných světových výrobců laserových a optických technologií prezentovali stovce účastníků novinky a možnosti jejich využití.

Laserové řešení pro plastikářský průmysl

Konvenční technologie opracování plastů již v mnoha případech nevyhovuje požadavkům koncových uživatelů. Moderní lasery posouvají kvalitu výroby plastů na zcela novou úroveň. Lastic představuje implementaci nejmodernějších laserových technologií a ergonomického ovládání do jediného produktu, jenž je navržen tak, aby jeho aplikace do stávajících výrobních linek byla zcela bezproblémová.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit