Õhuke tahkiskile

Õhuke tahkiskile on tahkest ainest koosnev õhuke materjalikiht, mis on moodustunud või adsorbeerunud teise materjali pinnale ning mille paksus varieerub mõnest nanomeetrist (mono-kiht) mikromeetrini. Selline kile on valmistatud keemilise või füüsikalise sadestamise või elektrolüüsi meetodil.
Tehnoloogiat, mis tegeleb õhukeste ja üliõhukeste materjalikihtide valmistamise ja uurimiseks sobivate meetodite väljatöötamise ja täiustamisega ning nende meetodite rakendamisega, nimetatakse kiletehnoloogiaks.
Uuritavate materjalide kasutusalad ulatuvad korrosioonivastastest pinnakatetest mikro- ja nanoelektroonikani. Õhukesi tahkiskilesid kasutatakse näiteks elektroonilistes pooljuhtseadmetes, liitiumpatareides ja optiliste katetena. Optiliste katete omadused ja töökvaliteet (näiteks peegeldusvastaste katete puhul) tavaliselt paranevad, kui kilest kate koosneb mitmest eri paksuse ja murdumisnäitajaga kilekihist. Tavalises majapidamises on õhukene tahkiskile kasutusel näiteks peeglites, mille puhul õhuke metallkate klaasi tagaküljel aitab moodustada peegeldavat pinda. Väga õhukest kilet (paksus väiksem kui 50 nm) kasutatakse ka kahesuunaliste peeglite tootmisel. Biomeditsiinis kasutatakse tahkiskilesid instrumentide ja implantaatide pinnakatetes, kuna kiled on difusiooni tõkestavad, korrosioonikindlad, kudedega ühilduvad, kulumiskindlad ning antibakteriaalsed.
Rohket rakendust leiavad keraamilised õhukesed kiled. Keraamiliste materjalide suhteliselt kõrge kõvadus ja inertsus muudavad seda tüüpi õhukesed katted vajalikuks. Neid saab kasutada alusmaterjalide kaitseks korrosiooni ja oksüdatsiooni eest ning kulumiskindluse tõstmiseks. Näiteks selliste katete kasutamine lõikeriistadel võib pikendada nende lõikeriistade eluiga mitmekordselt.
Sadestusmeetodid.
Õhukese tahkiskile sadestamiseks nimetatakse tegevust, mille käigus lisatakse aluspinnale õhuke kile. Seega sadestusmeetod on iga meetod, mille käigus sadestatakse õhuke kile või materjal aluspinnale või eelnevalt sadestatud kihtidele. "Õhuke" on suhteline termin, kuid enamik sadestusmeetoditest kontrollivad kihi paksust mõnekümne nanomeetri ulatuses.
Molekulaarepitaksia võimaldab kilet sadestada ühe aatomkihi kaupa. See on kasulik optikaseadmete tootmisel (näiteks peegeldavad, peegeldusvastased katted, isepuhastuv klaas), elektroonikas (isolaatori kihtides, pooljuhtides), pakendamisel (näiteks alumiiniumiga kaetud polümeerkile) ja isegi kaasaegses kunstis (näiteks Larry Belli kunstiteostes). Sarnaseid protsesse kasutatakse vahel ka siis, kui paksus ei ole oluline, näiteks vase puhastamine elektrokeemilise katmise abil ning räni ja rikastatud uraani sadestamine keemilise sadestamise aurufaasist sarnase protsessi abil peale gaasifaasis töötlemist.
Sadestamismeetodid jagunevad peamiselt kahte kategooriasse, sõltuvalt sellest, kas protsess on peamiselt keemiline või füüsikaline.
Keemilised sadestusmeetodid.
Keemiliste meetodite kasutamisel saadakse kile keemiliste sünteesi-, asendus- või lagunemisreaktsioonide tulemusena. Keemilised meetodid on näiteks elektrosadestamine, sool-geel-sadestamine, tsentrifugaalsadestamine, keemiline sadestamine aurufaasist, keemiline aatomkihtsadestamine aurufaasist. Keemilisi sadestusmeetodeid saab kategoriseerida ka lähteaine ehk prekursori faasi järgi.
Elektrosadestamine.
Elektrokeemiline katmine on protsess, milles kasutatakse lahustunud metalli katioonide redutseerimiseks elektrivoolu ja mille tagajärjel moodustub elektroodile koherentne metallkiht. Elektrokeemilist katmist kasutatakse ka anioonide oksüdeerimiseks substraadile, näiteks hõbe-/hõbekloriidelektroodide valmistamisel hõbetraadile hõbekloriidikihi tekitamiseks. Elektrokeemilist katmist kasutatakse peamiselt objekti pinnaomaduste muutmiseks näiteks abrasiooni ja kulumiskindluse tekitamiseks, samuti korrosioonitõrjeks ning liikuvate osade määrdeks.
Sool-geel-sadestamine.
Sool-geel sadestamisel (inglise keeles "chemical solution deposition", lühend CSD) tekib tahkiskile sooli geelistumise ja geeli tahkestumise tulemusena. Sool on tahkeid nano-osakesi sisaldav kolloidlahus, mis tekib vedelfaasis toimuvate reaktsioonide tulemusena. Lahustunud reaktsiooniproduktide ja lahusti aurustumise tulemusena suurenevad nanoosakeste mõõtmed, kuni tekib geel ehk pidevat tahket karkassi omav vedela ja tahke faasi segu. Sooli kandmine õhukese kihina tahke aluse pinnale soodustab lahustunud reaktsiooniproduktide ja lahusti aurustumist ja seega sooli muutumist geeliks. See on suhteliselt odav ja lihtne õhukese kile sadestamise protsess, mis on võimeline tootma stöhhiomeetriliselt täpselt kristallilist faasi.
Tsentrifugaalsadestamine.
Tsentrifugaalsadestamise ehk vurrkatmise (inglise keeles "spin coating") korral kasutatakse vedelat lähteainet või sool-geel lähteainet, mis on sadestatud siledale ja tasasele aluspinnale, mida seejärel keerutatakse suure kiirusega, et lahus liiguks tsentrifugaaljõu mõjul üle aluspinna. Kiirus, millega lahus pöörleb ja sooli viskoossus määravad sadestatud kile lõpliku paksuse. Sadestusprotsessi korrates saab suurendada kile paksust soovitud suuruseni. Sadestatud amorfse kile kristalliseerimiseks kasutatakse sageli termilist töötlemist. Sellised kristalliseeritud kiled omavad peale kristalliseerimist monokristallilisel aluspinnal teatud eelistatud orientatsioone.
Keemiline sadestamine aurufaasist.
Keemiline sadestamine aurufaasist (inglise keeles "chemical vapor deposition", lühend CVD) on protsess, mille käigus tahkiskile moodustub gaasiliste lähteainete ja aluse vaheliste või gaasiliste lähteainete omavaheliste keemiliste reaktsioonide tulemusena. Protsess viiakse tavaliselt läbi rõhkudel, mille juures gaas voolab viskoosselt ehk gaasiosakeste vaba tee pikkus on väiksem reaktsioonikambri sisemõõtmetest. Keemiline sadestamine aurufaasist kasutab gaasifaasis lähteainet, tihtipeale sadestatava elemendi halogeniidi või hüdriidi.
Metallorgaaniline keemiline sadestamine aurufaasist (inglise keeles "metalorganic chemical vapour deposition", lühend MOCVD) on keemilise aurufaasist sadestamise meetod, mille korral kasutatakse lähteainena metallorgaanilist ainet.
Plasmaergastusega keemiline sadestamine aurufaasist (inglise keeles "plasma-enhanced chemical vapor deposition", lühend PECVD) on CVD-protsess, mis kasutab lähteainena ioniseeritud auru või plasmat reaktsioonikiiruse suurendamiseks. Kommertsiaalne PECVD kasutab plasma tootmiseks keemiliste reaktsioonide asemel pigem elektromagnetilisi vahendeid (näiteks elektrivool, mikrolaine).
Aatomkihtsadestamine.
Aatomkihtsadestamine (inglise keeles "atomic layer deposition", lühend ALD) põhineb vahelduvatel küllastunud pinnareaktsioonidel, kus gaasiliste lähteainete abil sadestatakse konformseid kilesid kiht kihi haaval. Aatomkihtsadestamine erineb teistest sarnastest tehnoloogiatest selle poolest, et ta on ennastpiirav protsess. See toimib nii, et kasvualuse pind reageerib reagendiga küllastuseni, mis takistab edasise reaktsiooni toimimise. Aatomkihtsadestamine erineb teistest sarnastest tehnikatest lisaks ka selle poolest, et lähteainete aurud pulseeritakse reaktorisse ükshaaval, selleks avatakse vastavad magnetklapid ja reaktant pääseb oma hoiustamiskohast välja ning saab liikuda kasvutsooni. Iga lähteainepulsi vahel toimub kasvukambri puhastus. Kui lähteaine viia reaktsioonialasse, siis kasvualuse ja lähteaine vahel tekib küllastusreaktsioon, mille käigus sadestub üks monokiht ainet. Monokihi paksus oleneb pinna ja lähteaine reaktiivsusest. Ehk lihtsamal juhul koosneb üks sadestustsükkel neljast sammust: 
Selline ennastpiirav kasvumehhanism annab palju eeliseid, näiteks konformaalsuse ja ühtluse, aga ka lihtsasti kontrollitava kile paksuse. Kasvatusprotses on aeglasem kui CVD, kuid erinevalt CVD meetodist saab ALD toimida madalatel temperatuuridel.
Füüsikalised sadestusmeetodid.
Füüsikalised sadestamismeetodid kasutavad õhukeste tahkiskilede tootmiseks mehaanilisi, elektromehaanilisi või termodünaamilisi vahendeid ning ei põhine keemilistel reaktsioonidel. Kommertsiaalsed füüsikalise sadestamise süsteemid vajavad toimimiseks enamasti madala rõhuga aurukeskkonda. Enamikku neist klassifitseeritakse aurufaasist füüsikalise sadestamine meetodi alla kuuluvateks (inglise keeles "physical vapor deposition", lühend PVD).
Sadestatav materjal paigutatakse energeetilisse, entroopilisse keskkonda, kus materjali osakesed saavad materjali pinnalt eemalduda. Allika vastas on jahedam pind, mis tarbib nende osakeste energiat, kui nad saabuvad, võimaldades neil formeerida tahke kihi. Kogu süsteemi hoitakse vaakumiga sadestuskambris, et osakestel oleks võimalik liikuda võimalikult vabalt.
Termiline aurustamine.
Füüsikaline sadestusmeetod on näiteks termiline aurustamine (inglise keeles "thermal evaporation"), mis kasutab elektrilise takistusega küttekeha, et sulatada materjali ja tõsta selle aururõhku kasuliku vahemikuni, et oleks võimalik aurustada reaktorisse paigutatud lähtematerjale, mis kantakse inertgaasi abil katalüsaatorini. Seda tehakse kõrgvaakumis, ühelt poolt selleks, et lasta aurul jõuda alusmaterjalini, ilma et see vahepeal reageeriks või hajuks teistelt gaasi-faasis olevatelt aatomitelt, mis vastasel juhul kambris esineksid. Ja ka selleks, et vähendada allesjäänud gaasist ebapuhaste lisandite lisandumist vaakumkambrisse. Ainult materjale, millel on tunduvalt kõrgem aururõhk kui kütteelemendil, saab sadestada, ilma et kile reostuks.
Molekulaarepitaksia.
Molekulaarepitaksia (inglise keeles "molecular beam epitaxy", lühend MBE) on keerukam vorm termilisest aurustamisest. Molekulaarepitaksia on vaakumsadestamise meetod, mis toimub sellisel aluse temperatuuril ja sellise kiirusega, et oleks tagatud epitaksiaalne kasv. Protsessis suunatakse aeglane elementide voog aluspinnale nii, et materjal sadestub ühe aatomkihi kaupa. Sadestusprotsess galliumarseniidi näitel näeb välja järgnev: kõigepealt lisatakse kiht ühte elementi (näiteks galliumi) ja siis kiht teist (näiteks arseeni) ning protsessi korratakse vajalik arv kordi.
Elektronkiiraurustamine.
Elektronkiiraurustamise (inglise keeles "electron beam evaporation") käigus väljastatakse elektronikahurist kõrge energiaga kiir, mis ajab keema väikese punkti materjalis. Kuna kuumutamine ei ole ühtlane, saab selle meetodiga sadestada madalama aururõhuga materjale. Kiir on tavaliselt keeratud 270° nurga alla selleks, et olla kindel, et kahuri filament ei oleks otseselt suunatud aurustumisvoo suunas. Tüüpilised sadestuskiirused elektronkiiraurustamise korral jäävad vahemikku 1 kuni 10 nanomeetrit sekundis.
Impulsslasersadestus.
Impulsslasersadestuse (inglise keeles "pulsed laser deposition", lühend PLD) korral fokuseeritakse vaakumkambris võimsa impulsslaseri kiir sadestatavast ainest sihtmärgile. Laserkiire toimel aurustub plasmapilvena sihtmärgilt ainet, mis sadestub sihtmärgi vastas olevale alusele. Protsess viiakse läbi kas kõrgvaakumis või gaasikeskkonnas. Tavaliselt kasutatakse keskkonna loomiseks inertgaase, kui tegemist on aga oksiidsete kiledega, siis hapnikku. Hapnikku kasutatakse, et vähendada protsessis tekkivaid hapniku vakantse ehk aatomite puudumist kristallvõrest.
Katoodsadestamine.
Katoodsadestamise (inglise keeles "cathodic arc deposition") korral tekitatakse kaarlahendus, mille tulemusena eralduvad katoodilt ioonid. Elektrikaarel on väga kõrge energiatihedus, mille tulemuseks on kõrge ionisatsioonitase (30–100%), erineva laenguga ioonid, neutraalsed osakesed, klastrid ja makroosakesed (tilgad). Reaktiivne gaas sisestatakse aurustamisprotsessi käigus, mille tulemusena võivad ioonidevooluga kokkupuute tulemusena aset leida dissotsiatsioon, ionisatsioon ja ergastamine ning kile sadestatakse.
Elektrohüdrodünaamiline sadestamine.
Elektrohüdrodünaamiline sadestamine (inglise keeles "electrohydrodynamic deposition/electrospray deposition") on suhteliselt uus õhukese kile sadestamise protsess. Vedelik, mida sadestatakse on kas lahuse või nanoosakeste lahuse kujul. See suunatakse väikesesse kapillaarsesse düüsi (tavaliselt metallist), mis on ühendatud kõrgepingega. Aluspind, millele kile on vaja peale sadestada, on maaga ühenduses. Elektrivälja mõjul otsikust väljuv vedelik on koonilise kujuga (Taylori koonus) ja koonuse tipust lähtub peenike juga, mis laguneb Rayleigh' piirlaengu mõjul väga väikesteks ja peeneteks positiivse laenguga piiskadeks. Piisad muutuvad väiksemaks ja väiksemaks ning lõpuks sadestuvad aluspinnale ühtlase õhukese kihina.
Õhukesest kilest päikeseelemendid.
Õhukesest kilest päikeseelement on teise generatsiooni päikeseelement, mis on tehtud ühe või mitme õhukese kihi või õhukesest kilest fotogalvaanilise materjali sadestamisel aluspinnale. Aluspind võib olla näiteks klaas, plast või metall. Kile paksus varieerub mõnest nanomeetrist kümnete mikromeetriteni, mis on palju väiksem kui esimese generatsiooni kristallilisest ränist tehtud päikeseelementide paksus, mille puhul kasutatakse pooljuhtplaate paksusega kuni 200 mikromeetrit. Seetõttu on sellised päikeseelemendid painduvad ja kaalult kergemad ning odavamad, miinuseks on aga veidi madalam efektiivsus võrreldes esimese generatsiooni päikeseelementidega. Üheks päikeseelementide rakenduseks on päikesepaneelid. Kolm õhukese kile liiki, mida välistingimustes päikesepaneelides kasutatakse on kaadmiumtelluriit (CdTe), vaskindiumgalliumseleniit (CIGS) ja amorfne räni (a-Si).
Selliseid õhukese kile tehnoloogiaid, mis on veel varajases teadusuuringute staadiumis või kaubanduslikult raskesti kättesaadavad, liigitatakse kolmanda generatsiooni fotogalvaanilisteks elementideks. Sellised on näiteks kvanttäpp päikeseelement, polümeerist päikeseelement, vasktsinktinasulfiidist päikeseelement (CZTS), orgaaniline päikeseelement, perovskiidist päikeseelement. Eriti on avalikkuse tähelepanu köitnud perovskiidist päikeseelement, kuna perovskiidi-tehnoloogia areneb praegu kiiresti ja tulemused on paljulubavad.
Õhukesest kilest patareid.
Õhukese kile trükkimistehnoloogiat kasutatakse tahkes olekus liitiumpolümeeride mitmesugustele alusmaterjalidele lisamisel, eesmärgiga luua unikaalseid spetsiaalsete rakendustega patareisid. Painduvaid patareisi saab luua, kasutades alusmaterjalina plastikut, õhukest metallist fooliumi või paberit. Nende väikeste mõõtmete tõttu on ka nende energia salvestusvõime ja voolukoormus madalad, kuid neil on unikaalseid omadusi, mis eristavad neid tavalistest patareidest. Nendeks omadusteks on näiteks eespoolmainitud painutatavusvõime, pikk töö- ja eluiga, võime töötada suures temperatuurivahemikus, hinna ja võimsuse proportsionaalsus pindala suhtes. Õhukesest kilest patareidel on rohkelt kasutusotstarbeid nii toiteallikatena tarbekaupades kui ka mikro-suurusjärgus rakendustes. Näiteks on loodud sellised patareisid, mida on võimalik kasutada implanteeritavates meditsiiniseadmetes, aga ka sensorites ja kiipkaartide ning raadiosagedustuvastusseadmete (RFID) toiteallikana.