Нанотехнологии и наноматериалы

Termal bug'lanish.
Bu usul birinchi bo'lib 19-asrning oxirlaridayoq metallarning yupqa qatlamlarini cho'ktirishda qo'llanilgan [100]. Biroq, faqat 20-asrning ikkinchi yarmida etarlicha rivojlangan vakuum uskunalari paydo bo'lishi bilan, masalan, optika uchun aks ettiruvchi qoplamalar, nometall, interferentsiya filtrlari, qoraygan optik qoplamalar, plastmassalarga dekorativ qoplamalar olish uchun keng qo'llanilishi topildi. va matolar, yarim o'tkazgich plyonkalar va elektro-optik materiallar ... Bu usul ba'zan bug 'cho'kishi, vakuumli cho'kma yoki termal püskürtme deb ham ataladi.
Termik bug'lanish jarayoni vakuumda 10-3-10-5 Pa (10-5-10-7 mm Hg) tartibli bosimda amalga oshiriladi. Bunday bosimda atomlar yoki molekulalarning o'rtacha erkin yo'li bir necha metrga teng [94,100]. Püskürtülen isitilishi natijasida olingan bug 'fazasi



Guruch. 4.18. Termik bug'lanish usulining ba'zi variantlari: a) himoya qoplamali metall lavha bug'latgich, b) qayiq shaklidagi metall bug'latgich, v) tashqi isitish elementi bo'lgan sopol tigel, d) lazer yoki elektron nurli bug'lanish.

4.1-jadval. Haroratlar isitish biroz moddalar da foydalanish usuli vakuumdagi termal bug'lanish [94,100].
Modda	Harorat erish, os	Ishlatilgan bug'lanish harorati, OBILAN
alyuminiy	 650	1250 ... 1400
mishyak	820	> 300
bariy	710	> 610
berilliy	1283	> 1250
vismut	271	650 ... 1000
uglerod	 3700	> 2600
xrom	 1900	> 1400
temir	1536	> 1480
mis	1084	> 1300
oltin	1063	> 1400
kumush	961	> 1150
platina	1770	> 2100
tantal	3000	> 3100
volfram	3380	> 3250
sink	420	350 ... 1000
CdTe	1100	750 ... 850
BeO	2530	2100 ... 2700
Al2O3	 2030 yil	> 1850

modda bug 'fazasining haroratidan ancha past haroratga ega bo'lgan substratda erkin tarzda yotqiziladi. Issiqlik manbasiga qarab usulning quyidagi variantlari keng tarqaldi: elektrotermik isitish (elektr tokini to'g'ridan-to'g'ri uzatish yoki tigelda qizdirish), induktorda isitish, elektr yoyi razryadi tufayli bug'lanish, elektron bilan isitish yoki lazer nurlari (4.18-rasm). Ushbu usullarning aksariyati metall materiallarni bug'lash uchun mo'ljallangan. Tigelda isitish va lazer nurlanishidan foydalanish keng turdagi materiallarni bug'lash imkonini beradi. Bunday holda, bug'lanish harorati nisbatan past bo'lgan materiallarni bug'lantirish uchun birinchi usuldan foydalanish mumkin, bu harorat va tigel materialining kimyoviy qarshiligi bilan belgilanadi. Shunday qilib, grafit tigellar 1400 oC gacha, Al2O3 ning 1600 oC gacha bo'lgan texnologik haroratini ta'minlaydi, BN + TiB2 dan - 1750 oS gacha, himoya qoplamali Mo va Ta folgadan - 1850 oC gacha, ThO2 va ZrO2 dan - 2100 oS gacha [100]. Tigel uchun material tanlashning muhim sharti - bu yuqori haroratda bug'langan modda bilan kimyoviy o'zaro ta'sirning yo'qligi. Bug'lanish uchun yaxshi sharoitlarni ta'minlash va tigellardan bug'lanishning bir qator boshqa kamchiliklarini bartaraf etish uchun elektron nurli bug'lanish qo'llaniladi [103, 109, 117]. Bu holda, elektr o'tkazuvchan bug'langan moddiy suv bilan sovutilgan tigel joylashtirilgan va 2-10 kV tezlashtiruvchi nur kuchlanish va 0,1 A. hajmi tartibi joriy bir elektron nur bilan isitiladi moddiy va shuning uchun bo'lmaydi. tigel bilan aloqa qilish. Elektron nurlarning bug'lanishining etishmasligi,
Lazer nuridan foydalanish (impulsli yoki uzluksiz) ko'pgina harorat va kimyoviy cheklovlardan qochadi va tigellarga bo'lgan ehtiyojni yo'q qiladi. Moddaning deyarli bir zumda bug'lanishi yotqizilgan plyonkadagi kimyoviy tarkibiy qismlarning nisbatini bug'langan material bilan bir xil saqlashga imkon beradi. Yaqin vaqtgacha ushbu maqsadlar uchun lazer nurlanishidan foydalanish yuqori quvvatli impulsli va uzluksiz to'lqinli lazerlarning yuqori narxi va lazer nurlarini tashish, fokuslash va yo'naltirish uchun optik tizimlarni tekislashning murakkabligi bilan cheklanardi.
Vakuumdan foydalanish, bir qator hollarda kerakli jarayon unumdorligini ta'minlaydigan intensiv bug'lanish tezligiga erishiladigan harorat bug'langan moddaning erish haroratidan past bo'lishiga olib keladi. Isitishning ish haroratini baholash uchun odatda bug'langan materialning barqaror bug' bosimini kamida 1 Pa (10-2 mm Hg) ta'minlaydigan harorat qo'llaniladi [100]. Ko'pgina materiallar uchun bug'lanishning ish harorati 1100 ... 2600 ° S oralig'ida (masalan, 4.1-jadvalga qarang) [94,100]. Qoplamalarning cho'kish tezligi soniyada bir necha angstromdan bir necha mikrongacha bo'lishi mumkin (masalan, Vt uchun - 5 mkm / s gacha, Al uchun - 40 mkm / s gacha) [94,100]. Yopishqoqlikni yaxshilash yoki yotqizilgan qoplamaning ma'lum bir tuzilishini yaratish uchun ba'zi hollarda substratni isitish qo'llaniladi.
Qotishmalar va birikmalarning qoplamasini yaratish uchun, qoida tariqasida, har bir komponent alohida manbadan bug'lanadi. Buning sababi shundaki, murakkab moddaning bug'lanishi paytida uning tarkibiy qismlari bug' bosimining juda boshqacha qiymatlariga ega bo'lishi mumkin. Bunday holda, bug 'fazasining tarkibi va natijada, qoplamaning tarkibi bug'langan moddaning tarkibidan farq qiladi. Bundan tashqari, aralashmalarning bug'lanishi ko'pincha dissotsiatsiya va / yoki assotsiatsiya jarayonlari bilan birga keladi, bu ham kerakli qoplama tarkibini olishga to'sqinlik qiladi. Murakkabning to'g'ridan-to'g'ri bug'lanishi faqat tarkibiy qismlarning bir xil uchuvchanligi va moddaning parchalanmagan molekulalar shaklida bug 'fazasiga o'tishida qo'llaniladi [100].
Termal bug'lanish usulining afzalliklari uskunalar va jarayonni boshqarishning nisbatan soddaligi va kamchiliklarni o'z ichiga oladi.
- substratga yotqizilgan atomlar yoki molekulalarning kam energiyasi va substrat yuzasida begona plyonkalar va aralashmalar mavjudligiga yuqori sezuvchanlik tufayli qoplamaning past yopishqoqligi. Ushbu kamchiliklarning ta'sirini sirtni tayyorlashning maxsus usullari (ultratovushli sirtni tozalash, kimyoviy yoki elektrokimyoviy tozalash va / yoki etching, ion bilan ishlov berish) yordamida biroz kamaytirish mumkin.
Termal bug'lanish usuli kompyuterlar uchun qattiq magnit disklarni ishlab chiqarishda keng qo'llaniladi . Substrat - qalinligi taxminan 20 mkm bo'lgan amorf nikel-fosfor pastki qatlamiga ega bo'lgan yuzasida 20 nm dan kam bo'lgan mikropürüzlülük balandligi bo'lgan alyuminiy disk (yopishishni yaxshilash va farqlarni qoplash uchun).
substrat va qoplamaning termal kengayish koeffitsientlari). Birinchidan, qalinligi 500-1000 nm bo'lgan oraliq metall qatlami, masalan, Ni-Fe, cho'ktiriladi va shundan keyingina magnit materialning asosiy qatlami, masalan, Co yoki Co-Cr asosidagi qotishma. qalinligi 100-500 nm. Butun qoplamaga qalinligi 30-50 nm bo'lgan aşınmaya bardoshli himoya uglerod qatlami qo'llaniladi. Termal purkash CD larni ishlab chiqarishda ham qo'llaniladi [74]. Plastmassa disk qalinligi nanometr diapazonida bo'lgan alyuminiy taglik qoplamasi bilan qoplangan. Ikkala holatda ham materiallarning yuqori tozaligini ta'minlash uchun vakuum kamerasidagi bosim 10-5 Pa dan kam.
Elektron-optik texnologiya va muntazam nanostrukturalarni, jumladan, ikki o'lchovli fotonik kristallarni, fulleren va kompozit fulleren asosli plyonkalarni yaratish uchun bunday materiallar ham ko'rib chiqilayotgan usul bilan olinadi [47, 112]. Masalan, GaAs substratlarida qalinligi 200-600 nm bo'lgan C60-CdTe plyonkalari (4.19-rasm) ma'lum tarkibdagi aralashmani vakuumda 10-4 Pa bosim va substrat isitish haroratida bug'lantirish orqali o'stiriladi. taxminan 160 ° C. [48].

Guruch. 4.19. Rasm kino C60 sirtining topografik tuzilishi - 40% CdT, yordamida olingan rastr elektron mikroskop [48].

So'nggi yillarda materiallarning bug'lanishi uchun impuls vaqti juda qisqa (femtosekund oralig'igacha) bo'lgan impulsli lazer nurlanishidan foydalangan holda nozik qoplamalar va ular asosida qatlamli kompozitlarni tayyorlash bo'yicha amaliy tadqiqotlar faol olib borilmoqda. Ushbu usul ko'pincha adabiyotda PLD (impulsli lazer cho'kishi) deb ataladi. Masalan, elektronika uchun kremniydan Y2O3-ZrO2 plyonkalari shu tarzda olinadi [113], qalinligi 20 nm Sm - Fe qoplamasidan, 100 nm qalinlikdagi Ta pastki qatlamidan va kremniy substratdan iborat qatlamli kompozitlar [114], Ni magnit plyonkalar o'rtacha kristallit hajmi 40 nm [115].

Katodik va magnetronli otilish
Ushbu usulning eng oddiy varianti ikki elektrodli (4.20a-rasm). U 1-0,1 Pa (10-2-10-3 mm Hg) [94,100] tartibli bosimdagi vakuumda porlash deşarj plazmasidan foydalanishga asoslangan. Jarayonni boshlashdan oldin, vakuum kamerasida reaktiv gazlarni olib tashlash uchun odatda 10-2-10-3 Pa gacha bo'lgan vakuum yaratiladi, shundan so'ng kameraga inert gaz kiritiladi va bosim ish holatiga keltiriladi. qiymatlar. Argon eng ko'p qo'llaniladi. Katod (püskürtülmüş materialning maqsadi) va anod (odatda qoplamali substratning ushlagichi) o'rtasida 1-5 kV doimiy kuchlanish qo'llaniladi. Bu kuchlanish qiymati ionlanish potentsialidan va parchalanish kuchlanishidan oshib ketadi, shuning uchun katoddan etarli miqdordagi ikkilamchi elektronlar chiqariladi. Bu elektronlar katoddan anodga o'tib, gaz atomlari bilan to'qnashadi va ularni ionlashtiradi.

Guruch. 4.20. Katodli purkashning asosiy sxematik sxemalari: a) ikki elektrodli usul, b) to'rt elektrodli usul, 1- vakuum kamerasi, 2- taglik ushlagich (ikki elektrodli usulda u ham anod), 3- substrat, 4. - porlash razryadli plazma zonasi, 5- maqsadli (purkalgan material), 6-asosiy katod, 7- termal katod, 8- stabilizator elektrod, 9- anod.

Natijada porloq oqim paydo bo'ladi. Olingan inert gaz ionlari maqsadli katodni bombardimon qiladi va undan qoplama atomlarini chiqarib tashlaydi. Ikkinchisi yaqin atrofdagi substratga yotqiziladi. Substrat ushlagich bilan birga erga qisqa tutashgan, ammo ba'zi hollarda anod va ushlagichning vazifalari

substratlarni tekislash mumkin. Yuqori energiyali ionlar tomonidan maqsadga erishishning etarli ehtimolini ta'minlash uchun (va shuning uchun chayqalish jarayonining etarli mahsuldorligini ta'minlash uchun) anod va katod etarlicha yaqin joylashgan bo'lishi kerak. Odatda masofa anodning salbiy porlash hududiga tushmasligi uchun tanlanadi. Boshqa tomondan, agar siz anodni qorong'i bo'shliqning chetiga o'tkazsangiz, u holda katod va anod orasidagi masofa elektronlarning erkin yo'lidan kamroq bo'ladi va gazning ionlanishi sodir bo'lmaydi [100]. Usulning ushbu varianti uchun cho'kish tezligi ancha past (taxminan 0,1 mkm / min).
Katodli purkashning bir turi yuqori chastotali püskürtmedir. Umumiy sxema odatda rasmdagi sxemaga o'xshaydi. 4.20a, lekin to'g'ridan-to'g'ri elektr toki o'rniga o'zgaruvchan yuqori chastotali oqim ishlatiladi - 0,3-2 kV kuchlanish, 13-14 MGts chastotasi. Bunday holda, bir qator holatlarda anodga -0,1 ... 0,5 kV qo'shimcha egilish potentsiali beriladi, bu esa substratga qo'llaniladigan materialning gazsimon aralashmalar bilan ifloslanishini kamaytirishga imkon beradi.
Jarayonning mahsuldorligini oshirish uchun murakkabroq sxemalar, jumladan, to'rt elektrodli usul va magnetronli püskürtme usuli qo'llaniladi.
To'rt elektrodli sxema bilan (4.20b-rasm) tushirish kuchlanishi pastroq bo'lishi mumkin va tushirish oqimi va maqsadli kuchlanish bir-biridan mustaqil ravishda tartibga solinadi. Chiqarish termal katod va anod o'rtasidagi potentsial farq tufayli yuzaga keladi va gaz ionlari manfiy potentsial qo'llaniladigan maqsadli katod bilan to'qnashganda paydo bo'ladi. Elektronlarning termal emissiyasini ta'minlaydigan haroratgacha qizdirilgan termal katodning kiritilishi plazma hosil bo'lishini sezilarli darajada osonlashtirishga va jarayonni yuqori vakuumda (0,1 Pa) amalga oshirishga imkon beradi va shuning uchun uning tozaligini yaxshiroq ta'minlaydi. püskürtülmüş material. Cho'kish tezligi 1 mkm / min. Ushbu variantning kamchiliklari - bu substratning sezilarli isishi, ba'zi hollarda 300-500 oC ga etadi [94].
Katodik püskürtme asosan metall materiallar qatlamlarini ishlab chiqarish uchun ishlatiladi.
Magnitronni chayqash holatida (4.21-rasm) jarayonning mahsuldorligini oshirish uchun plazmani maqsad-katodga to'playdigan zaryadsizlanish hududiga magnit maydon qo'llaniladi. Magnit maydonning kuch chiziqlari doimiy magnitning bir qutbidan tomon yo'naltiriladi
boshqasiga. Elektronlarning harakat traektoriyalari magnit maydon kuch chiziqlarining kirish va chiqish joylari orasida joylashgan. Bu joylarda plazmaning jadal shakllanishi va chayqalish jarayonlari lokalizatsiya qilinadi. Ushbu lokalizatsiya tufayli nafaqat metallni, balki dielektrik va yarim o'tkazgichli materiallarni ham purkash mumkin bo'ladi. Magnitronli purkash usuli substratning isitilishini 100-250 ° C [94] ga kamaytirishga va 1-2 mkm / min gacha cho'kish tezligini ta'minlashga imkon beradi. 4.22-rasmda magnetronli püskürtme usuli yordamida 00N16K4M4T2YU marajlangan po'latdan olingan alyuminiy nanostrukturali qoplama namunasi ko'rsatilgan. Qoplamalar substratdan püskürtülmüş materialdan ~ 70 mm masofada quyidagi texnologik rejimga muvofiq qo'llaniladi: tushirish oqimi 5 A, tushirish kuchlanishi 480 ... 500 V, argon bosimi 0,4 ... 0,5 Pa,
-50 V [116].
Guruch. 4.21. Magnetron purkash sxemasi: 1- vakuum kamerasi, 2- taglik ushlagichi (ikki elektrodli usulda u ham anod hisoblanadi), 3- substrat, 4- porlash plazmasi kontsentratsiyasi zonasi, 5- chayqaladigan material, 6- katod. , 7- halqa shaklidagi yoki ramka shaklidagi anod , 8- magnit, 9- magnit maydon chiziqlari.

Guruch. 4.22. Maragingda magnetron bilan qoplangan alyuminiy po'lat 00N16K4M4T2Yu [116].