Методы нанесения нанопленок

Нанесение нанопленок: как это работает? 

Существует множество способов нанесения тонких пленок. Одни относятся к так называемым «восходящим» методам (метод «снизу-вверх»); другие – к «нисходящим» методам, когда более крупные материалы разрушаются для создания наноразмерных структур (литография, травление). Поскольку нисходящие методы имеют пределы того, насколько тонкими могут быть пленки, для создания нанопленок используют восходящие методы. 

Восходящие методы 

При формировании пленок по восходящему методу пленки наносятся на подложку, и формируются атом за атомом. К наиболее распространенным методам осаждения по типу «снизу-вверх» относятся:

• химическое осаждение из газовой фазы (CVD),
• физическое осаждение из паровой фазы (PVD),
• атомно-слоевое осаждение (ALD).

Помимо этого, существуют так называемые методы нуклеациионного роста, которые основаны на жидкостных химических реакциях, но эти методы могут страдать от дефектов межзеренных границ, когда наноострова/ нанокластеры объединяются во время процесса формирования пленки. Поэтому в этой статье мы рассмотрим только высококачественные методы, которые подойдут для создания нанопленок. 

Химическое осаждение из газовой фазы (CVD) 

Метод химического осаждения из газовой фазы (CVD) является классическим. В последние годы он стал наиболее известным благодаря способу получения однослойного графена на различных подложках. С помощью этого метода можно получать нанопленки высокого качества из разных материалов. 

Несмотря на то, что существуют разные методы осаждения, многие из которых работают по одним и тем же базовым принципам, главным отличием является то, как осаждаются сами атомы. Например, атомы могут осаждаться при плазменной стимуляции, при низких давлениях, посредством лазерного облучения и фотохимических реакций, и так далее. Однако все процессы выполняются в вакуумной среде, и независимо от самого механизма осаждения во всех методах используется летучий материал-прекурсор. 

Эти прекурсоры испаряются при высоких температурах в реакционной камере, затем осаждаются испаренные атомы, которые, как уже упоминалось, могут принимать различные формы в зависимости от конкретного рассматриваемого под-метода. Испаренные атомы, взаимодействуя друг с другом, воздействуют с поверхностью подложки, что позволяет накапливать тонкую наноразмерную химически связанную пленку. 

Физическое осаждение из паровой фазы (PVD) 

Как и в случае с химическим осаждением из газовой фазы (CVD), физическое осаждение из паровой фазы (PVD) представляет собой еще один общий класс методов, которые можно использовать для нанесения атомов на поверхность для создания наноразмерной тонкой пленки. 

PVD во многом похож на CVD и также выполняется в вакуумной среде. Как следует из названия, метод PVD имеет физическую природу. Напыление происходит под действием тепловой энергии с помощью испарения (в реакционной камере твёрдый материал расплавляется и переходит в газовую фазу с последующим осаждением и образованием наноплёнки на обрабатываемом материале) или распыления (с использованием ускоренных заряженных частиц в плазме), что является более распространенным способом.

PVD-процессы являются более экологически чистыми методами вакуумного осаждения, состоящими из трех основных этапов (рис.1):

• Формированию паровой фазы твёрдого материала с помощью высокотемпературных методов или распыления ускоренными частицами в плазме;
• Транспортировка пара в вакууме или частичном вакууме к поверхности подложки;
• Конденсация на подложке с формированием тонкой пленки.

Рисунок 1. PVD-процессы

Поскольку существует несколько различных способов осаждения, методы PVD могут быть использованы для создания наноразмерных тонкопленочных покрытий на самых разнообразных материалах с широким разнообразием составов пленок. 

Атомно-слоевое осаждение (ALD) 

Атомно-слоевое осаждение (ALD) на самом деле является одним из методов, относящихся к классу методов CVD, но в последние годы у него появились свои достоинства, поэтому он заслуживает отдельного упоминания. Это прогрессивный метод для получения очень однородных и конформных нанотонких пленок, которые могут использоваться в широком диапазоне применений для геометрически сложных форм и криволинейных поверхностей (если оно наносится непосредственно в виде нанопленочного покрытия), а также на материалы подложки. Это метод, который можно использовать даже для нанесения нанотонкой пленки непосредственно на наночастицу, этот способ известен как “particle ALD”. 

Сравнение ALD и CVD методов  

1. ALD использует два материала-прекурсора для создания нанопленки. Отличие ALD от других методов CVD заключается в том, что разные прекурсоры никогда не присутствуют в реакционной камере одновременно - они осаждаются последовательно. 

2. ALD также является типом послойного (LbL) метода и часто используется для создания пленок с несколькими атомными слоями, тогда как CVD обычно используется для однослойных пленок. Как только один из прекурсоров был нанесен по всей поверхности, следующий материал прекурсора наслаивается сверху, где он вступает в реакцию с первым нанесенным материалом, создавая химически связанную многослойную пленку. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет достигнута желаемая толщина. 

3. Другое ключевое отличие ALD от CVD заключается в том, что реакция проводится в контролируемом диапазоне температур, тогда как CVD использует высокие температуры для испарения материала. И хотя этим процессом легче управлять, он требует гораздо большего опыта и контроля за процессом.