Что такое тонкопленочные покрытия?

Тонкопленочные покрытия представляют собой чрезвычайно тонкие слои материала, размещенные на поверхности подложки. Их толщина может варьироваться от нескольких микрометров или миллионных долей метра до менее 1 нанометра или миллиардной доли метра. Тонкопленочные покрытия могут быть изготовлены из различных веществ, включая кремний, керамику и арсенид галлия. Они обычно используются в оптических устройствах, таких как фотоэлектрические элементы, используемые для производства солнечной энергии, для компонентов для электроники, а также в инструментах и ​​другом оборудовании, которое требует устойчивости к поверхностному повреждению.

Состав тонкопленочного покрытия зависит от его назначения. Тонкопленочные покрытия, используемые в фотоэлектрических элементах для генерации солнечной энергии, изготовлены из полупроводниковых материалов, таких как кремний и арсенид галлия. Эти материалы могут преобразовывать энергию света в электрический ток, когда входящие фотоны света возбуждают электроны полупроводникового материала до более высоких энергетических уровней. Эти покрытия также используются в электронике, такой как интегральные схемы.

Полупроводниковые тонкие пленки часто наносят в виде ряда слоев с различным химическим составом, чтобы влиять на свойства пленки. Эти слои могут быть невероятно тонкими, а некоторые тонкопленочные покрытия имеют слои толщиной всего один атом. Таким образом, тонкопленочное покрытие может содержать сложную внутреннюю структуру изменяющихся слоев в чрезвычайно малом пространстве.

Тонкопленочная керамика используется в тех случаях, когда требуются материалы, стойкие к износу или коррозии. Например, режущие инструменты могут значительно увеличить срок службы, если они сделаны с тонким керамическим наружным слоем на режущей кромке, чтобы защитить остальную часть лезвия от износа. Устройства, которые используют химически активные химические вещества, такие как топливные элементы, могут использовать тонкопленочную керамику для их удержания из-за относительной химической инертности керамической пленки.

Другие применения тонкопленочных покрытий включают литиевые аккумуляторы, которые могут быть изготовлены с катодом, состоящим из тонкой пленки оксидов лития и металла, для производства аккумуляторов, которые являются гораздо менее громоздкими и более гибкими, чем обычные батареи. Зеркала содержат тонкую металлическую пленку, обычно сделанную из алюминия в современных зеркалах, за стеклом для создания отражающей поверхности. Тонкие алюминиевые пленочные покрытия также используются в упаковке многих современных товаров народного потребления, особенно продуктов питания, для увеличения срока годности скоропортящихся продуктов, а также для повышения блеска и заметности упаковки. Алюминиевые пленки также используются в качестве изоляции, особенно для применений, которые требуют гибкости и портативности, и они включены в такие вещи, как скафандры, защитное снаряжение пожарных и аварийные изолирующие одеяла для жертв шока.

Тонкопленочные покрытия наносятся на поверхность одним из нескольких способов, которые в совокупности называются осаждением тонких пленок. Большинство этих методов классифицируются как химическое осаждение, при котором тонкая пленка наносится посредством химической реакции между поверхностью и жидкостью, называемой предшественником, или физическое осаждение, при котором пленка наносится механическим, термическим или электрическим способом. , Методы химического осаждения включают гальваническое покрытие, при котором используется жидкий раствор предшественника, содержащий растворенные ионы металлов, и химическое осаждение из паровой фазы, при котором поверхность реагирует с газообразными соединениями.

Физические методы осаждения осуществляются в вакуумной камере, содержащей субстрат и вещество. Частицы последнего удаляются с помощью различных средств, таких как нагревание, лазерные импульсы или электрические дуги, создавая пар, который образует пленку на подложке. Существуют также методы, которые используют как физические, так и химические процессы и не вписываются ни в одну категорию, такие как реактивное распыление и молекулярно-лучевая эпитаксия.