Co to są powłoki cienkowarstwowe?
Powłoki cienkowarstwowe to wyjątkowo cienkie warstwy materiału umieszczone na powierzchni podłoża. Mogą mieć różną grubość od kilku mikrometrów lub milionowych części metra do mniej niż 1 nanometra lub miliardowej części metra. Powłoki cienkowarstwowe mogą być wykonane z różnych substancji, w tym krzemu, ceramiki i arsenu galu. Są one powszechnie stosowane w urządzeniach optycznych, takich jak ogniwa fotowoltaiczne wykorzystywane do wytwarzania energii słonecznej, w komponentach do elektroniki oraz w narzędziach i innych urządzeniach wymagających odporności na uszkodzenia powierzchni.
Skład cienkowarstwowej powłoki zależy od jej przeznaczenia. Cienkowarstwowe powłoki stosowane w ogniwach fotowoltaicznych do generowania energii słonecznej są wykonane z materiałów półprzewodnikowych, takich jak krzem i arsen aralu. Materiały te mogą przekształcać energię ze światła w prąd elektryczny, gdy nadchodzące fotony światła pobudzają elektrony materiału półprzewodnikowego do wyższych poziomów energii. Powłoki te są również stosowane w elektronice, takiej jak układy scalone.
Półprzewodnikowe cienkie folie są często nakładane w szeregu warstw o różnych składach chemicznych, aby wpływać na właściwości folii. Warstwy te mogą być niezwykle cienkie, a niektóre powłoki cienkowarstwowe mają warstwy o grubości zaledwie jednego atomu. Zatem cienkowarstwowa powłoka może zawierać złożoną wewnętrzną strukturę o różnych warstwach na bardzo małej przestrzeni.
Ceramika cienkowarstwowa stosowana jest w aplikacjach wymagających materiałów odpornych na zużycie lub korozję. Na przykład narzędzia tnące mogą mieć znacznie dłuższe okresy pracy, jeśli są wykonane z cienkiej ceramicznej warstwy zewnętrznej na krawędzi tnącej, aby chronić resztę ostrza przed zużyciem. Urządzenia wykorzystujące reaktywne chemikalia, takie jak ogniwa paliwowe, mogą używać cienkowarstwowej ceramiki do ich przechowywania ze względu na względną bezwładność chemiczną folii ceramicznej.
Inne zastosowania powłok cienkowarstwowych obejmują akumulatory litowe, które można wytwarzać za pomocą katody złożonej z cienkiej powłoki litowej i tlenków metali w celu wytworzenia akumulatorów o wiele mniejszych i bardziej elastycznych niż akumulatory konwencjonalne. Lustra zawierają cienką metalową folię, zwykle wykonaną z aluminium w nowoczesnych lusterkach, za szkłem, aby utworzyć powierzchnię odbijającą światło. Cienkie powłoki z folii aluminiowej są również stosowane do pakowania wielu nowoczesnych towarów konsumpcyjnych, zwłaszcza żywności, w celu zwiększenia trwałości łatwo psujących się produktów i uczynienia opakowania bardziej błyszczącym i bardziej zauważalnym. Folie aluminiowe są również stosowane jako izolacja, szczególnie w zastosowaniach wymagających elastyczności i przenośności, i są wbudowane w takie rzeczy, jak skafandry kosmiczne, wyposażenie ochronne strażaków i koce izolacyjne dla ofiar porażenia prądem.
Powłoki cienkowarstwowe nakłada się na powierzchnię jedną z kilku technik łącznie zwanych nakładaniem cienkich warstw. Większość z tych metod zalicza się do osadzania chemicznego, w którym cienki film nakłada się poprzez reakcję chemiczną między powierzchnią a płynem zwanym prekursorem, lub osadzania fizycznego, w którym film nakłada się za pomocą środków mechanicznych, termicznych lub elektrycznych . Metody chemicznego osadzania obejmują powlekanie, w którym stosuje się ciekły roztwór prekursora zawierający rozpuszczone jony metali oraz chemiczne osadzanie z fazy gazowej, w którym powierzchnia reaguje ze związkami gazowymi.
Fizyczne metody osadzania są przeprowadzane w komorze próżniowej zawierającej podłoże i substancję. Cząstki tego ostatniego są odrzucane za pomocą różnych środków, takich jak ogrzewanie, impulsy laserowe lub łuki elektryczne, tworząc parę, która tworzy film na podłożu. Istnieją również metody, które wykorzystują zarówno procesy fizyczne, jak i chemiczne i nie pasują do żadnej z tych kategorii, takie jak reaktywne rozpylanie i epitaksja wiązki molekularnej.