თხელი ფირი

თხელი ფირი — ნივთიერების თხელი ფენა, რომლის სისქეც არ აღემატება რამდენიმე მიკრომეტრს. თხელი ფირების წარმოება მნიშვნელოვანი კომპონენტია თანამედროვე ტექნოლოგიებში, მაგალითად, მაგნიტური მეხსიერების ბარათები, ნახევარგამტარული ხელსაწყოები, შუქდიოდები, მზის პანელები თუ ბატარეები. თხელ ფირებს აქვს დიდი გამოყენება ფარმაკოლოგიაშიც.

გარდა პრაქტიკული გამოყენებისა, თხელი ფირები მნიშვნელოვანია მასალთმცოდნეობასა და ფიზიკაში და იძლევა ნივთიერების უნიკალური თვისებების შესწავლის შესაძლებლობას. მაგალითად, მულტიფეროიკული მასალები და სუპერმესერები, რომლებიც იძლევიან კვანტური ფენომენს შესწავლის შესაძლებლობას.

დაფენა
პროცესს რომლის შედეგადაც იქმნება თხელი ფირი — დაფენა ეწოდება. თხელი ფირის დაფენა ხდება ფუძეშრეზე — წინასწარ გამზადებულ მასალაზე. სიტყვა „თხელი“ ფარდობითია, თუმცა როგორც წესი გულისხმობენ რამდენიმე ათეული ნანომეტრის სისქეს. თანამედროვე დაფენვის ტექნიკები იძლევიან იმის საშუალებასაც, რომ ერთი ატომური სისქის ფენა დავაფინოთ. თუკი ფირის სისქე რამდენიმე ატომურ ფენას მოიცავს, ხშირად მოიხსენიებენ როგორც ულტრათხელი ფირი (-). ერთ ფენას ეწოდება მონო-ფენა (-).

თხელი ფირების დაფენის ტექნოლოგიები პირობითად იყოფა ორ ნაწილად — ფიზიკური და ქიმიური. ფიზიკურ დაფენვის ტექნოლოგიებს შორისაა ისეთი მეთოდები როგორებიცაა პულსირებული ლაზერული დაფენა (პლდ) და მოლეკულურ-სხივური ეპიტაქსია (მსე).

თხელი ფირების ზრდის პულსირებული ლაზერული დაფენის მეთოდი მდგომარეობს ულტრამაღალ ვაკუუმურ კამერაში მყარი სამიზნიდან მასალის აორთქლებაში მოკლე (დაახლ. 10 ნმ) და მაღალი ენერგიის ლაზერული იმპულსების გამოყენებით. მოლეკულურ-სხივური ეპიტაქსის დროს შერჩეული ელემენტების ატომები და მოლეკულები ვაკუუმურ ღუმელში ხურდება და ორთქლდება, რის შემდეგაც ტოვებს ატომების მიმართულ სხივს და ეჯახება მონოკრისტალური ფუძეშრის გახურებულ ზედაპირს. კრისტალური ფირების ნუკლეაცია და ზრდა დამოკიდებულია ბევრ ფაქტორზე როგორიცა, სიმკვრივე, ენერგია, იონიზაციის ხარისხი, კონდენსირებადი მასალის ტიპი, ფუძეშრის ფიზიკო-ქიმიური თვისებები და ტემპერატურა. თუმცა სინთეზისას ხდება მხოლოდ რამდენიმე პარამეტრის მანიპულირება. გამოყენებული სამიზნე ზომით პატარაა სხვა გაფრქვევის მეთოდების სამიზნეებთან შედარებით. აგრეთვე შესაძლებელია ორი ან რამდენიმე მასალისაგან მრავალფენოვანი ფირების შექმნა. პულსების რაოდენობის კონტროლით მიიღწევა ფირების სისქის ზუსტი კონტროლი.

ზრდის რეჟიმები
ფრანკ-ვან დე მერვეს რეჟიმი (იგივე „ფენა-ფენა ზრდა“) — ესაა თხელი ფირის ზრდის რეჟიმი, როდესაც ხდება ერთი ფენის დასრულება და მხოლოდ ამის შემდეგ მეორე ფენის ზრდის დაწყება. შესაბამისად მიღებული ფირი ყვოველთვის ხასიათდება გლუვი ზედაპირით. იმისათვის, რომ ზრდის ამ რეჟიმს მივაღწიოთ საჭიროა ფუძეშრის კრისტალი იმდაგვარად შერჩევა, რომ უმნიშნელოდ განსხვავდებოდეს გასაზრდელი ფირის მესერისგან.

ვოლმერ-ვებერი („კუნძულოვანი ზრდა“) — ამ დროს ფირი იზრდება იზოლირებული კუნძულების სახით. ზედაპირი არის უხეში და უმეტესად არასასურველია ასეთი ზრდის რეჟიმის მიღება. ეს შეიძლება გამოიწვიოს დიდმა სხვაობამ ფუძეშრისა და ფირის კრისტალურ მესერებს შორის.

სტრანსკი-კრასტანოვი (ფენა+კუნძულუ) — ეს არის ერთგვარი შუამავალი წინა ორ რეჟიმს შორის. თხელი ფირებისთვის როგორც წესი დამახასიათებელია „ფენა-ფენა“ ზრდა, თუმცა გარკვეული სისქის შემდეგ ის გადადის კუნძულოვანი ზრდის რეჟიმზე.

ეპიტაქსია
ეპიტაქსია ეწოდება ერთი კრისტალის მეორე კრისტალის ზედაპირზე სრულიად ორიენტირებულ ზრდას, დაშრევება ისე, რომ ყოველ მომდევნო შრეს აქვს წინას ორიენტაცია. ატომურ ფენათა ეპიტაქსია ანუ დაშრევება არის თხელი აფსკების დატანის ტექნოლოგია, რომელიც ემყარება თვითშემოფარგლული ქიმიური რეაქციების თანმიმდევრულ გამოყენებას დატანილი შრის სისქის ზუსტი კონტროლისთვის. სიტყვა ეპიტაქსია მოდის ბერძნული ენიდან, „ეპი” –ზე, „ტაქსის“ –მოწესრიგება.

ატომურ ფენათა დაშრევების ტექნოლოგია(ა.ფ.დ.ტ.) მოწოდებულია ფინელი მეცნიერის ტუმო სუნტოლას -ის მიერ 1977 წელს და მას პირველად უწოდებდნენ ატომურ შრეთა ეპიტაქსიას.

ჰომოეპიტაქსია აღნიშნავს ისეთ შემთხვევას როდესაც კრისტალი იზრდება იმავე კისტალზე. თუკი ფირის კრისტალური სტრუქტურა განსხვავდება ფუძეშრისაგან, ასეთ ზრდას ჰეტეროეპიტაქსია ეწოდება.

ფირის ეპიტაქსიური ზრდა შესაძლებელია ისეთი მეთოდებით როგორიცაა მოლეკულურ-სხივური ეპიტაქსია, ქიმიური დალექვა და პულსირებული ლაზერული დაფენა.