Cosa sono i rivestimenti a film sottile?

I rivestimenti a film sottile sono strati di materiale estremamente sottili posti sulla superficie del substrato. Possono variare di spessore da diversi micrometri, o milionesimi di metro, a meno di 1 nanometro o un miliardesimo di metro. I rivestimenti a film sottile possono essere realizzati con varie sostanze, tra cui silicio, ceramica e arsenuro di gallio. Sono comunemente utilizzati in dispositivi ottici come celle fotovoltaiche utilizzate per la generazione di energia solare, componenti per l'elettronica e strumenti e altre attrezzature che richiedono resistenza ai danni superficiali.

La composizione di un rivestimento a film sottile dipende dal suo scopo. I rivestimenti a film sottile utilizzati nelle celle fotovoltaiche per generare energia solare sono realizzati con materiali semiconduttori come il silicio e l'arseniuro di gallio. Questi materiali possono convertire l'energia della luce in corrente elettrica quando i fotoni di luce in entrata eccitano gli elettroni del materiale semiconduttore a livelli di energia più elevati. Questi rivestimenti sono utilizzati anche in elettronica, come i circuiti integrati.

I film sottili semiconduttori sono spesso applicati in una serie di strati con diverse composizioni chimiche per influenzare le proprietà del film. Questi strati possono essere incredibilmente sottili e alcuni rivestimenti a film sottile hanno strati che sono spessi solo un singolo atomo. Pertanto, un rivestimento a film sottile può contenere una struttura interna complessa di strati variabili in uno spazio estremamente ridotto.

Le ceramiche a film sottile sono utilizzate in applicazioni che richiedono materiali resistenti all'usura o alla corrosione. Gli utensili da taglio, ad esempio, possono prolungare notevolmente la vita utile se realizzati con un sottile strato esterno in ceramica sul tagliente per proteggere il resto della lama dall'usura. I dispositivi che utilizzano sostanze chimiche reattive, come le celle a combustibile, potrebbero utilizzare ceramiche a film sottile per contenerle a causa della relativa inerzia chimica del film ceramico.

Altri usi dei rivestimenti a film sottile includono batterie al litio ricaricabili, che possono essere realizzate con un catodo composto da un film sottile di litio e ossidi metallici per produrre batterie che sono molto meno voluminose e più flessibili delle batterie convenzionali. Gli specchi contengono un sottile film metallico, solitamente realizzato in alluminio in specchi moderni, dietro il vetro per creare una superficie riflettente. Nella confezione di molti beni di consumo moderni, in particolare gli alimenti, vengono utilizzati anche sottili rivestimenti in film di alluminio per aumentare la durata di conservazione degli articoli deperibili e rendere la confezione più brillante e più evidente. Le pellicole di alluminio sono anche utilizzate come isolanti, in particolare per applicazioni che richiedono flessibilità e portabilità, e sono incorporate in elementi quali tute spaziali, equipaggiamento protettivo per i vigili del fuoco e coperte isolanti di emergenza per le vittime di shock.

I rivestimenti a film sottile vengono applicati su una superficie attraverso una delle diverse tecniche indicate collettivamente come deposizione di film sottile. La maggior parte di questi metodi sono classificati come deposizione chimica, in cui il film sottile viene applicato attraverso una reazione chimica tra la superficie e un fluido chiamato precursore, o deposizione fisica, in cui il film viene applicato mediante mezzi meccanici, termici o elettrici . I metodi di deposizione chimica comprendono la placcatura, che utilizza una soluzione di precursore liquido contenente ioni di metallo disciolti, e la deposizione chimica da vapore, in cui la superficie reagisce con composti gassosi.

I metodi fisici di deposizione vengono eseguiti in una camera a vuoto contenente il substrato e la sostanza. Le particelle di quest'ultimo vengono espulse attraverso vari mezzi, come riscaldamento, impulsi laser o archi elettrici, creando un vapore che forma un film sul substrato. Esistono anche metodi che utilizzano processi fisici e chimici e non si adattano perfettamente a nessuna delle due categorie, come lo sputtering reattivo e l'epitassia da fasci molecolari.