موضوع مقاله: لایه نازک | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # لایه نازک | مقدمه: لایه نازک لایه‌ای از مواد است که ضخامتی بین کسری از نانومتر (تک لایه) تا چند میکرومتر دارد. | ## بخش 1: لایه نازک | سنتز کنترل شدهٔ مواد به عنوان لایه‌های نازک (فرایندی که به آن لایه‌نشانی گفته می‌شود) یک گام اساسی برای بسیاری از کاربردها است. یک مثال آشنا آینه خانگی است که به‌طور معمول دارای یک روکش فلزی نازک در پشت یک صفحه شیشه‌ای برای ایجاد یک سطح بازتابنده است. فرایند نقره پوش سازی (آب نقره کاری) زمانی برای تولید آینه‌ها استفاده می‌شد، در حالی که اخیراً لایه فلزی با استفاده از تکنیک‌هایی مانند کند و پاش (Sputtering) لایه‌نشانی می‌شود. پیشرفت در تکنیک‌های لایه‌نشانی لایه نازک در طول قرن بیستم، سبب طیف گسترده‌ای از پیشرفت‌های فناوری در زمینه‌های مختلف شده‌است، مانند رسانه ذخیره مغناطیسی، دستگاه‌های نیمه هادی الکترونیکی، LED‌ها، روکش‌های نوری (مانند روکش‌های ضد بازتاب)، روکش‌های سخت روی ابزارهای برش، تولید انرژی (به عنوان مثال سلول‌های خورشیدی لایه نازک) و ذخیره‌سازی انرژی (باتری‌های لایه نازک). این مواد همچنین در زمینه داروسازی با روش «دارو رسانی به کمک لایه‌های نازک» کاربرد دارند. علاوه بر اهمیت کاربردی، لایه‌های نازک نقش مهمی در توسعه و مطالعه مواد با ویژگی‌های جدید و منحصر به فرد ایفا می‌کنند. فرایند لایه‌نشانی (Deposition) اعمال کردن یک لایه نازک بر روی یک سطح، لایه‌نشانی لایه نازک نامیده می‌شود؛ در واقع این فرایند شامل هر تکنیکی برای لایه‌نشانی یک لایه نازک از مواد روی یک بستر یا روی لایه‌های قبلی لایه‌نشانی شده‌است. «نازک» یک اصطلاح نسبی است، اما اکثر تکنیک‌های لایه‌نشانی ضخامت لایه را تا چند ده نانومتر کنترل می‌کنند. برآرایی پرتوی مولکولی، روش لانگمویر-بلودت، لایه‌نشانی لایه اتمی و لایه‌نشانی لایه مولکولی اجازه می‌دهند که یک تک لایه از اتم‌ها یا مولکول‌ها در یک زمان لایه‌نشانی شوند. استفاده از لایه‌های نازک در تولید وسایل اپتیکی (به عنوان مثال روکش‌های بازتابنده - ضد بازتاب یا شیشه‌های خود تمیز شونده)، الکترونیکی (لایه‌هایی از نارساناها، نیمه رسانا‌ها و رساناها که مدارات مجتمع را می‌سازند)، بسته‌بندی (به عنوان مثال، ورق‌های PET پوشش داده شده با آلومینیوم) و در هنر معاصر (به کار لری بل مراجعه کنید) مفید است. گاهی اوقات که ضخامت مهم نیست، فرایندهای مشابه مورد استفاده قرار می‌گیرند: برای مثال پالایش مس با آبکاری و لایه‌نشانی سیلیکون و اورانیوم غنی شده توسط یک فرایند شبه CVD پس از پردازش فاز گاز. بسته به اینکه فرایند در درجه اول شیمیایی باشد یا فیزیکی، تکنیک‌های لایه‌نشانی در دو دسته گسترده قرار می‌گیرند. لایه‌نشانی شیمیایی در اینجا، یک پیش ماده سیال بر روی یک سطح جامد دچار تغییر شیمیایی می‌شود و یک لایه جامد باقی می‌گذارد. از آنجا که مایع جسم جامد را احاطه می‌کند، لایه‌نشانی بدون وابستگی چندانی به جهت، بر روی هر سطحی اتفاق می‌افتد. در ادامه، لایه‌نشانی شیمیایی بیشتر به وسیله فاز پیش ماده طبقه‌بندی می‌شود: آبکاری به پیش ماده‌های مایع متکی است که اغلب محلول آب به همراه نمکی از فلز مورد نظر برای لایه‌نشانی است. برخی فرایندهای آبکاری کاملاً توسط مواد واکنشگر در محلول (معمولاً برای فلزات نجیب) هدایت می‌شوند، اما تاکنون مهمترین فرایند تجاری آبکاری الکتریکی است. این روش برای سالها چندان در پردازش نیمه هادی‌ها کاربردی نداشت، اما به دلیل استفاده گسترده‌تر از روش‌های صیقل دادن شیمیایی-مکانیکی، در حال حاضر دوباره استفاده می‌گردد. لایه‌نشانی محلول شیمیایی (CSD) یا لایه‌نشانی به وسیله حمام شیمیایی (CBD) از پیش ماده مایعی استفاده می‌کند که معمولاً محلول پودرهای آلی-فلزی در یک حلال آلی است. این یک فرایند نسبتاً ارزان و ساده تولید لایه نازک است که فازهای کریستالی دقیقی از نظر استوکیومتری تولید می‌کند. این روش همچنین به عنوان روش سل-ژل شناخته می‌شود زیرا 'sol' (یا محلول) به تدریج به سمت ایجاد سیستم دو فاز ژل-مانند تغییر می‌یابد. روش لانگمویر-بلودت از مولکولهایی استفاده می‌کند که در بالای یک زیرفاز آبی شناور هستند. چگالی فشردگی مولکول‌ها کنترل می‌شود و پس از برداشت کنترل شده زیرفاز از روی بستر جامد، تک لایه فشرده شده به روی آن منتقل می‌شود. سرعتی که محلول با آن چرخانده می‌شود و گران‌روی سل، ضخامت نهایی لایه‌نشانی را تعیین می‌کند. می‌توان لایه‌نشانی‌های مکرر را برای افزایش ضخامت لایه‌ها به مقدار دلخواه انجام داد. پردازش حرارتی اغلب به منظور تبلور لایهٔ آمورف لایه‌نشانی شده به روش پوشش دورانی، انجام می‌شود. چنین لایه‌های کریستالی می‌توانند جهت‌گیری‌های مرجح خاصی را بعد از تبلور بر روی بسترهای تک بلوری نشان دهند. لایه‌نشانی غوطه‌وری مشابه روکش چرخشی است به این صورت که یک پیش ماده مایع یا پیش ماده سل ژل روی یک بستر لایه‌نشانی می‌شود، اما در این حالت بستر کاملاً در محلول فرومی‌رود و سپس تحت شرایط کنترل شده خارج می‌شود. با کنترل سرعت برداشت (خارج کردن)، شرایط تبخیر (عمدتاً رطوبت و دما) و قابلیت تبخیر/ گرانروی حلال، ضخامت لایه، همگن بودن و مورفولوژی نانوسکوپی هم کنترل می‌شوند. دو رژیم تبخیر وجود دارد: ناحیه مویرگی با سرعت برداشت بسیار کم و منطقه زهکشی با سرعت تبخیر سریعتر. لایه‌نشانی بخار شیمیایی (CVD) به‌طور کلی از یک پیش ماده در فاز گازی، اغلب یک هالید یا هیدرید از عنصر مورد نظر، برای لایه‌نشانی استفاده می‌نماید. بر خلاف مثال دوده در بالا، PECVD تجاری برای تولید پلاسما به روش‌های الکترومغناطیسی (جریان الکتریکی، برانگیختگی مایکروویوی) متکی است و نه یک واکنش شیمیایی. لایه‌نشانی لایه اتمی (ALD)، و روش خواهرش لایه‌نشانی لایه مولکولی (MLD)، با استفاده از پیش ماده‌های گازی، لایه‌های نازک همدیس و تک لایه را در یک زمان لایه‌نشانی می‌کند. | ## بخش 2: لایه نازک | این فرایند به دو واکنش تقسیم می‌شود که به ترتیب و برای هر لایه تکرار می‌شوند تا از اشباع کامل لایه پیش از شروع لایه بعدی اطمینان حاصل شود؛ بنابراین، یک واکنش دهنده ابتدا لایه‌نشانی می‌شود و سپس ماده دوم واکنش دهنده لایه‌نشانی می‌شود که در طی آن یک واکنش شیمیایی روی بستر اتفاق می‌افتد و ترکیب مورد نظر را تشکیل می‌دهد. به دلیل این فرایند مرحله به مرحله، این روند از CVD کندتر است اما برخلاف CVD می‌تواند در دماهای پایین اجرا شود. لایه‌نشانی فیزیکی لایه‌نشانی فیزیکی برای تولید یک لایه نازک جامد از روش‌های مکانیکی، الکترومکانیکی یا ترمودینامیکی استفاده می‌کند. از آنجا که بیشتر مواد مهندسی توسط انرژی‌های نسبتاً بالایی در کنار هم نگه داشته شده‌اند و از واکنش‌های شیمیایی برای ذخیره این انرژی‌ها استفاده نمی‌شود، سیستم‌های لایه‌نشانی فیزیکی تجاری تمایل دارند که برای عملکرد صحیح به بخار کم فشار نیاز داشته باشند؛ بیشتر آنها را می‌توان به عنوان لایه‌نشانی بخار فیزیکی (PVD) طبقه‌بندی کرد. مادهٔ مورد نظر برای لایه‌نشانی در یک محیط انرژی‌زا و آنتروپیک قرار می‌گیرد تا ذرات ماده از سطح آن فرار کنند. در مقابل این منبع سطح خنک‌کننده‌ای قرار دارد که هنگام رسیدن این ذرات، انرژی آنها را جذب می‌نماید و به آنها اجازه می‌دهد یک لایه جامد تشکیل دهند. کل سیستم در یک محفظه لایه‌نشانی خلأ نگه داشته می‌شود تا ذرات بتوانند تا حد امکان آزادانه حرکت کنند. از آنجا که ذرات تمایل به دنبال کردن یک مسیر مستقیم دارند، لایه‌هایی که به روش‌های فیزیکی لایه‌نشانی می‌شوند معمولاً جهت دار هستند تا همدیس. نمونه‌هایی از لایه‌نشانی فیزیکی عبارتند از: تبخیر حرارتی که از بخاری با مقاومت الکتریکی برای ذوب مواد استفاده می‌کند و فشار بخار آن را تا حد مفیدی بالا می‌برد. این کار در خلأ بالا انجام می‌شود، هم برای این که بخار بتواند بدون واکنش با یا پراکندگی از سایر اتم‌های فاز گازی در محفظه به بستر برسد و هم برای اینکه میزان ترکیب ناخالصی‌های حاصل از گاز باقیمانده در محفظه خلأ را کاهش دهند. بدیهی است فقط موادی با فشار بخار بسیار بالاتر از المنت گرمایی بخاری می‌توانند بدون آلوده کردن لایه لایه‌نشانی شوند. در روش تبخیر پرتوی الکترونی پرتویی پرانرژی از یک تفنگ الکترونی شلیک می‌گردد تا یک نقطه کوچک ماده را به نقطه جوش برساند؛ از آنجایی که گرمایش یکنواخت نیست می‌توان مواد با فشار بخار پایین‌تر را لایه‌نشانی داد. باریکه معمولاً با زاویه ۲۷۰ درجه خم می‌شود تا اطمینان حاصل شود که فیلامان تفنگ مستقیماً در معرض شار تبخیر قرار ندارد. آهنگ لایه‌نشانی معمولی برای تبخیر پرتوی الکترونی از ۱ تا ۱۰ نانومتر بر ثانیه است. در برآرایی پرتوی مولکولی (MBE) جریانهای کند یک عنصر می‌توانند به سمت بستر (زیرلایه) هدایت شوند به طوری که یک لایه اتمی از مواد در یک زمان لایه‌نشانی کنند. ترکیباتی مانند گالیم آرسنید معمولاً با اعمال مکرر یک لایه از یک عنصر (یعنی گالیم)، سپس یک لایه از عنصر دیگر (یعنی آرسنیک) لایه‌نشانی می‌شوند به طوری که فرایند شیمیایی و در عین حال فیزیکی باشد؛ این فرایند همچنین به عنوان لایه‌نشانی لایه اتمی شناخته می‌شود. اگر پیش ماده‌های مورد استفاده آلی باشند، به این روش لایه‌نشانی لایه مولکولی گفته می‌شود. پرتوی ماده مورد نظر می‌تواند به روش فیزیکی (یعنی توسط کوره) یا با یک واکنش شیمیایی (برآرایی پرتو شیمیایی) تولید شود. کند و پاش به پلاسمایی (معمولاً از جنس یک گاز نجیب مانند آرگون) متکی است تا با ضربه زدن، ماده را به صورت چند اتم در هر بار از سطح هدف جدا کند (بکند). هدف را می‌توان در دمای نسبتاً کم نگه داشت زیرا این روش یکی از انواع روش‌های تبخیر نیست که همین سبب می‌شود یکی از انعطاف پذیرترین تکنیک‌های لایه‌نشانی به حساب آید. این روش به ویژه برای ترکیبات یا مخلوط‌ها مفید است که در آنها اجزای مختلف تمایل به تبخیر با آهنگ‌های متفاوت دارند. پالسهای لیزر متمرکز سطح هدف را تبخیر کرده و آن را به پلاسما تبدیل می‌نمایند؛ این پلاسما معمولاً قبل از رسیدن به بستر دوباره به گاز تبدیل می‌گردد. لایه‌نشانی قوس کاتدیک (arc-PVD) که نوعی لایه‌نشانی پرتو یونی است که در آن یک قوس الکتریکی ایجاد می‌شود که به معنای واقعی کلمه یون‌ها را با انفجار از کاتد جدا می‌نماید. این جرقه دارای چگالی توان فوق‌العاده بالایی است که منجر به سطح بالایی از یونش (۱۰۰٪-۳۰) به علاوهٔ یون‌های شارژ شده، ذرات خنثی، خوشه‌ها و ذرات بزرگ (قطرات) می‌گردد. اگر یک گاز واکنش پذیر در طی فرایند تبخیر وارد شود، در طول برهمکنش با شار یونی، تفکیک، یونیزاسیون و برانگیختگی می‌توانند رخ دهند و یک لایه ترکیبی لایه‌نشانی شود. لایه‌نشانی الکترو هیدروودینامیکی (لایه‌نشانی با الکترواسپری) یک فرایند نسبتاً جدید لایه‌نشانی لایه نازک است. مایع موردنظر برای لایه‌نشانی به صورت محلول نانوذره یا یک محلول ساده به یک نازل مویین کوچک (معمولاً فلزی) که به ولتاژ بالا متصل است، تزریق می‌شود. به دلیل تأثیر میدان الکتریکی، زمانی که مایع از نازل بیرون می‌آید شکل مخروطی (مخروط تیلور) به خود می‌گیرد و در رأس مخروط جت نازکی ظهور می‌کند که به سبب محدودیت بار ریلی به قطرات بسیار ریز و کوچک با بار مثبت تجزیه می‌گردد. قطرات کوچکتر و کوچکتر می‌شوند و در نهایت به عنوان یک لایه نازک یکنواخت روی بستر قرار می‌گیرند. این نوع رشد نیاز به تطابق شبکه‌ای دارد و از این رو سازوکار رشد "ایدئال" در نظر گرفته می‌شود. در این حالت رشد، فعل و انفعالات سطح-جاذب قوی تر از فعل و انفعالات جاذب-جاذب است. در این حالت رشد، برهم کنش‌های جاذب-جاذب قوی تر از برهم کنش‌های سطح-جاذب هستند، از این رو "جزایر" بلافاصله شکل می‌گیرند. | ## بخش 3: لایه نازک | اصطلاح اپیتاکسی از ریشه‌های یونانی (epi (ἐπί به معنی "بالا/روی"، و تاکسیس (τάξις) به معنی "روشی منظم" می‌آید. به عنوان مثال از این فناوری برای رشد لایه‌ای خالص تر از بستر استفاده می‌شود که چگالی نقصان کمتری به نسبت بستر دارد و همچنین برای تولید لایه‌هایی با سطح دوپینگ متفاوت. رونشانی‌ناهمگن به حالتی اشاره می‌کند که در آن لایه لایه‌نشانی شده متفاوت از بستر است. تکنیک‌های مورد استفاده برای رشد برآرایی لایه‌های نازک شامل برآرایی پرتوی مولکولی، برآرایی بخار شیمیایی و لایه‌نشانی لیزر پالسی است. کاربردها روکش‌های تزئینی استفاده از لایه‌های نازک برای روکش‌های تزئینی احتمالاً نماینده قدیمی‌ترین کاربرد آنها است. این کاربردها شامل برگهای نازک طلایی با ضخامت حدود ۱۰۰ نانومتر می‌شوند که بیش از ۵۰۰۰ سال پیش در هند باستان مورد استفاده قرار می‌گرفتند. همچنین ممکن است به عنوان هر شکلی از نقاشی شناخته شود، اگرچه این نوع اثر عموماً به عنوان یک هنر دستی در نظر گرفته می‌شود تا مهندسی یا یک رشته علمی. امروزه لایه‌های نازک با ضخامت متغیر و ضریب شکست بالا مانند دی‌اکسید تیتانیوم اغلب برای روکش‌های تزئینی بر روی شیشه استفاده می‌شود که به عنوان مثال باعث ایجاد ظاهری به رنگ رنگین کمانی مانند لکه روغن روی آب می‌گردد. علاوه بر این، سطوح غیرشفافی که با طلا رنگ شده‌اند ممکن است با کند و پاش طلا یا نیترید تیتانیوم تهیه شوند. روکش‌های نوری (اپتیکی) این لایه‌ها در هر دو سیستم بازتابی و شکستی به کار می‌روند. آینه‌های بزرگ (بازتابی) در قرن نوزدهم در دسترس قرار گرفتند و با کند و پاش نقره فلزی یا آلومینیوم روی شیشه تولید می‌شدند. عدسی‌های شکستی برای ابزارهای نوری مانند دوربین‌ها و میکروسکوپ‌ها به‌طور معمول دارای ابیراهی هستند، یعنی رفتار شکستی غیر ایدئال دارند. در حالی که قبلاً مجموعه‌هایی با تعداد بالایی از عدسی‌ها باید در امتداد مسیر نوری قرار می‌گرفتند، امروزه ممکن است با روکش کردن (لایه نشانی) عدسی‌های نوری با چند لایه شفاف دی‌اکسید تیتانیوم، نیترید سیلیکون یا اکسید سیلیکون و غیره، این ابیراهی‌ها را اصلاح نمود. یک نمونهٔ خوب شناخته شده برای پیشرفت در سیستم‌های نوری توسط فناوری لایه‌های نازک، در لنزهای با پهنای چند میلی‌متر در دوربین تلفن‌های هوشمند نمایان است. روکش‌های محافظ لایه‌های نازک اغلب برای محافظت از قطعه مورد نظر زیرین در برابر تأثیرات خارجی لایه‌نشانی می‌شوند. این محافظت ممکن است با به حداقل رساندن تماس با محیط بیرونی انجام گردد تا انتشار (دیفیوژن) از محیط به قطعه کار یا برعکس گاهش یابد. به عنوان مثال، بطری‌های پلاستیکی لیموناد غالباً توسط لایه‌های ضد انتشار روکش می‌شوند تا از پخش و تجزیه CO2 جلوگیری کنند که تحت فشار زیاد وارد نوشیدنی می‌شود. نمونه دیگر توسط لایه‌های نازک TiN در تراشه‌های میکروالکترونیکی است که خطوط آلومینیومی رسانا را به صورت الکتریکی از عایق تعبیه شده SiO2 جدا می‌کنند تا مانع تشکیل Al2O3 گردد. اغلب، لایه‌های نازک به عنوان محافظ در برابر سایش بین قطعات مکانیکی متحرک عمل می‌کنند. به عنوان نمونه‌هایی از این کاربرد می‌توان به استفاده از لایه‌های کربن الماس-مانند (DLC) در موتور اتومبیل‌ها یا لایه‌های نازک ساخته شده از نانوکامپوزیت‌ها اشاره کرد. به دلیل هدایت الکتریکی بالایشان قادرند جریانهای الکتریکی را عبور دهند یا ولتاژ را تغذیه کنند. لایه‌های فلزی نازک در سیستم‌های الکتریکی معمولی استفاده می‌گردند، مثلاً به عنوان لایه‌های مس روی برد مدار چاپی، یا به عنوان اتصال به زمین بیرونی در کابل‌های کواکسیال و اشکال مختلف دیگر مانند سنسورها و غیره. یک زمینه اصلی کاربرد آنها به استفاده در مدارهای یکپارچه تبدیل شده‌است، جایی که شبکه الکتریکی بین دستگاه‌های فعال و منفعل مانند ترانزیستورها و خازنها و غیره از لایه‌های نازک آلومینیوم یا مس ساخته شده‌است. این لایه‌ها ضخامت‌هایی در محدوده چند صد نانومتر تا چند میکرومتر را شامل می‌شوند و آنها اغلب به منظور جلوگیری از یک واکنش شیمیایی با دی الکتریک اطراف مانند SiO2 در میان چند لایه نازک نانومتری نیتریت تیتانیوم قرار داده می‌شوند. شکل بالا یک میکروگراف از یک ساختار عمودی فلزی TiN/Al/TiN که در یک تراشه میکروالکترونیک ساخته شده‌است، نشان می‌دهد. سلول‌های فتوولتائیک لایه نازک فناوری لایه‌های نازک همچنین به عنوان ابزاری برای کاهش قابل توجه هزینه سلولهای خورشیدی توسعه داده می‌شوند. دلیل اصلی این امر این است که سلولهای خورشیدی با لایه نازک به دلیل کاهش هزینهٔ مواد، هزینه انرژی، هزینه‌های رسیدگی و هزینه‌های سرمایه ای، ارزانتر هستند. این امر به ویژه در استفاده از فرایندهای الکترونیکی چاپی (رول به رول) نمایان است. سایر فناوری‌های لایه نازک که هنوز در مرحله اولیه تحقیقات در حال انجام هستند یا از نظر تجاری به صورت محدود در دسترس هستند، اغلب به عنوان سلول‌های فتوولتائیک نسل سوم یا در حال ظهور طبقه‌بندی می‌شوند و شامل سلولهای خورشیدی آلی، حساس به رنگ و پلیمر، همچنین سلولهای خورشیدی نقطه کوانتومی، سولفید قلع روی مس، نانو کریستال و پروسکایت می‌شوند. باتری‌های لایه نازک از فناوری چاپ لایه نازک برای اعمال پلیمرهای لیتیوم حالت جامد بر بسترهای مختلف استفاده می‌شود تا باتری‌های منحصر به فردی برای کاربردهای تخصصی ایجاد شوند. باتری‌های لایه نازک می‌توانند مستقیماً روی تراشه‌ها یا بسته‌های تراشه به هر شکل و اندازه‌ای لایه‌نشانی شوند. | ## جمع‌بندی | باتری‌های قابل انعطاف را می‌توان با چاپ روی پلاستیک، فویل نازک فلزی یا کاغذ ساخت.