1
ستاد ویژه توسعه فناوری نانو Iran Nanotechnology Innovation Council بستن
  • ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

  • بانک اطلاعات شاخص های فناوری نانو

  • سایت جشنواره فناوری نانو

  • سیستم جامع آموزش فناوری نانو

  • شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو

  • موسسه خدمات فناوری تا بازار

  • کمیته استانداردسازی فناوری نانو

  • پایگاه اشتغال فناوری نانو

  • کمیته نانو فناوری وزارت بهداشت

  • جشنواره برترین ها

  • مجمع بین المللی اقتصاد نانو

  • اکو نانو

  • پایگاه اطلاع رسانی محصولات فناوری نانو ایران

  • شبکه ایمنی نانو

  • همایش ایمنی در نانو

  • گالری چند رسانه ای نانو

  • تجهیزات فناوری نانو

  • صنعت و بازار

  • باشگاه نانو

مروری مختصر بر لایه‌نشانی اتمی: از مبانی تا کاربردها

افراد مقاله : ‌ مترجم - امید مهدوی

موضوع : علم و پژوهش کلمات کلیدی : لایه نشانی - پیل ( سلول ) خورشیدی - پیل سوختی تاریخ مقاله : 1393/11/07 تعداد بازدید : 4763

لایه‌نشانی اتمی (ALD) یک تکنیک فاز بخار است که قادر به تولید لایههای نازک از مواد مختلف است. بر پایه واکنشهای خود محدودکننده و متوالی، لایه‌نشانی اتمی یک همدیسی استثنایی در ساختارهای با نسبت سطح بالا، کنترلپذیری ضخامت در حد آنگستروم و ترکیب فیلم تنظیمپذیر را ارائه میدهد. با توجه به این مزایا، لایه‌نشانی اتمی به عنوان یک ابزار قدرتمند برای بسیاری از کاربردهای تحقیقاتی و صنعتی شناخته شده است. در این مقاله، مقدمه‌ای مختصر برای لایه‌نشانی اتمی خواهیم داشت و سپس چند کاربرد انتخابی شامل سلولهای خورشیدی Cu (In,Ga) Se2، ترانزیستورهای با ضریب دی الکتریک بالا (high-k) و پیل سوختی اکسید جامد را بررسی خواهیم کرد. این نمونهها برای نشان دادن موارد زیر انتخاب شدهاند: • فناوریهای مختلفی که از لایه‌نشانی اتمی تأثیر میپذیرند. • طیفی از موادی که تکنیک لایه‌نشانی اتمی می‌تواند بنشاند (از اکسید فلزات همانند Zn1-xSnxOy، ZrO2، Y2O3 تا فلزات نجیبی مانند پلاتین) • -راهی که از آن مشخصههای منحصربه‌فرد لایه‌نشانی اتمی میتواند سطوح جدید عملکردی را ایجاد کند و ما را به فهم بنیادی عمیقتری برساند.

 

 
1. مقدمه
لایه‌نشانی اتمی تکنیکی است که قادر به نشاندن مواد لایه نازک مختلفی در فاز گاز است. لایه‌نشانی اتمی نوید بخش پیشرفت‌های مهمی در فناوری‌های نوظهور تبدیل انرژی و نیمه‌رساناها است. این مقاله قصد دارد که خواننده را با مفهوم لایه‌نشانی اتمی و کاربردهای مهم حال حاضر آن در زمینه‌های میکروالکترونیک و انرژی (که به دلیل اهمیت آن‌ها در تحقیقات و صنعت انتخاب شده‌اند) آشنا کند.

همان‌طور که نیاز به ادوات، به سمت ساختارهای کوچک‌تر و کم حجم‌تر پیش می‌رود، لایه‌نشانی اتمی مزایای بالقوه‌ای در زمینه همدیسی و کنترل بر روی ضخامت و ترکیب مواد در مقایسه با روش‌های لایه‌نشانی جایگزین، همانند لایه‌نشانی به‌وسیله‌ بخار شیمیایی (CVD) و تکنیک‌های مختلف لایه‌نشانی به‌وسیله‌ بخار فیزیکی (PVD) ، از خود نشان داده است. این ویژگی‌های مطلوب از ذات خود اشباع‌کننده و دوره‌ای فرآیندهای لایه‌نشانی اتمی نشأت گرفته است.

لایه‌نشانی اتمی به عنوان رشد اتمی لایه بلور (ALE) به‌وسیله سونتولا و آنتسون در سال 1977 به همگان معرفی شد که ZnS را برای صفحات نمایشی تخت، لایه‌نشانی می‌کرد. همان‌طور که فرآیندهای بعدی ALE برای به هم پیوند دادن فلزات و اکسید فلزات توسعه یافتند، بسیاری از مواد به صورت رشد غیر بلوری لایه‌نشانی شدند و یک نام کلی‌تر ALD (لایه‌نشانی اتمی) برای انعکاس این مطلب انتخاب شد. هم‌چنین گفتنی است که بسیاری از روش‌های لایه‌نشانی اتمی از فرآیندهای CVD مختلف توسعه یافته‌اند. بر خلاف روش‌های CVD، روش‌های لایه‌نشانی اتمی از در معرض واکنش نهادن متناوب یک پیش‌ماده شیمیایی، اغلب در یک دمای نسبتاً پایین، برای تشکیل ماده دلخواه استفاده می‌کنند.

یک فرآیند لایه‌نشانی اتمی کلی در شکل 1 نشان داده شده است. این فرآیند شامل پالس‌های متناوب پشت سر هم پیش ماده‌های شیمیایی گازی است که با بستر واکنش می‌دهد. این واکنش‌های منفرد گاز-سطح "نیمه واکنش" خوانده می‌شوند و به طور مقتضی فقط در بخشی از سنتز مواد نقش دارند. در طول هر نیم واکنش، پیش‌ماده به درون یک اتاقک خلاء (با فشار کم‌تر از Torr1) برای مدت زمان مشخص پالس می‌شود، به میزانی که به پیش‌ماده اجازه دهد در یک فرآیند خود محدودکننده که بیش از یک تک لایه در سطح قرار نمی‌دهد به طور کامل با سطح بستر واکنش انجام دهد. متعاقباً، اتاقک با یک گاز حامل فرار (مثل نیتروژن یا آرگون) پاک‌سازی می‌شود تا تمام پیش‌ماده‌های واکنش نداده یا محصولات جانبی واکنش را خارج کند. این عمل با پالس کردن و پاک‌سازی پیش‌ماده ضد واکنش‌گر دنبال می‌شود که حداکثر یک لایه از ماده مورد نظر ایجاد می‌کند. این فرآیند تا زمانی که ضخامت مورد نظر برای فیلم به‌دست آید، تکرار می‌شود. فرآیند لایه‌نشانی اتمی در دمای پایین‌تراز 350 درجه سانتی‌گراد انجام می‌گیرد. محدوده دمایی‌ که در آن رشد اشباع می‌شود، بستگی به هر فرآیند لایه‌نشانی اتمی خاص دارد و به آن "پنجره دمایی لایه‌نشانی اتمی" اطلاق می‌شود. دماهای خارج از پنجره عموماً به دلیل تأثیراتی همانند سینتیک واکنش کند یا میعان پیش‌ماده (در دماهای پایین) و تجزیه گرمایی یا واجذب سریع پیش‌ماده (در دماهای بالا) ، باعث آهنگ رشد ضعیف و یا لایه‌نشانی غیر اتمی خواهد شد. برای این‌که از مزایای بسیار لایه‌نشانی اتمی بهره ببریم، مطلوبست که در پنجره لایه‌نشانی اتمی تعیین شده برای هر فرآیند لایه‌نشانی کار کنیم.

مزایای اساسی لایه‌نشانی اتمی از کنترل واکنش خود اشباع و متناوب گاز-سطح فرآیند لایه‌نشانی مشتق می‌شود. اولاً همدیسی فیلم‌های نشانده شده به‌وسیله لایه‌نشانی اتمی اغلب یک عامل اساسی در انتخاب لایه‌نشانی اتمی مابین سایر تکنیک‌های لایه‌نشانی رقیب مثل CVD یا اسپاترینگ است. همدیسی مواد با نسبت سطح بالا و با ساختار سه بعدی به‌وسیله ویژگی خود محدودکننده آن امکان‌پذیر شده است که واکنش در سطح را فقط به یک لایه پیش‌ماده محدود می‌کند. با زمان‌های پالس کافی، پیش‌ماده می‌تواند درون شیارهای عمیق پخش شود و این اجازه می‌دهد واکنش کامل با کل سطح انجام گیرد. سیکل‌های متناوب اجازه رشد یکنواخت در ساختارهای با نسبت سطح بالا را می‌دهد، در حالی که ضعف CVD و PVD به ترتیب غیریکنواختی به دلیل واکنش‌های سطح سریع‌تر و اثرات سایه است. در نمونه‌هایی که از همدیسی ویژه فیلم‌های لایه‌نشانی اتمی در شکل a2 و b برای فیلم‌های SnSx بر روی نانوذرات طلا و فیلم‌های Ge2Sb2Te5 بر روی شیارهای SiO2 نشان داده شده است، توانایی فرآیند به پوشش یک دست موروفولوژی بستر به وضوح دیده می‌شود. مزیت آشکار دوم لایه‌نشانی اتمی، کنترل ضخامت لایه‌های نازک نشانده شده است. با استفاده از لایه‌نشانی لایه به لایه، با تغییر تعداد سیکل‌های لایه‌نشانی اتمی می‌توان به ضخامت مورد نظر فیلم رسید. رشد به ازای هر سیکل برای بسیاری از فیلم‌های لایه‌نشانی اتمی، نوعاً کم‌تر از یک آنگستروم بر سیکل (Ao/cycle) است. یکی دیگر از مزایای مهم لایه‌نشانی اتمی، کنترل ترکیب است. کنترل ترکیب از بین مواد مختلف، در موادی مانند اکسید زینک قلع (ZTO) و SrTiO3 نشان داده شده است. این فیلم‌ها می‌توانند به‌وسیله تنظیم "فوق سیکل"‌های لایه‌نشانی اتمی که متشکل از فرآیندهای چندگانه لایه‌نشانی اتمی هستند، نشانده و به لحاظ ترکیبی کنترل شوند. برای مثال، در لایه‌نشانی ZTO، تنظیم نسبت‌های فوق سیکل برای SnOx و ZnO می‌تواند رفتار رسانایی و خواص نوری فیلم را تنظیم کند. در لایه‌نشانی SrTiO3، فرآیندهای لایه‌نشانی اتمی برای TiO2 و SrCO3 در یک فوق سیکل با نسبت 1: 1 جابه‌جا می‌شوند که فیلم استوکیومتری SrTiO3 را بعد از ریخته‌گری تولید می‌کند (شکل 2). هرچند، باید توجه شود که یک رابطه غیرخطی میان نسبت سیکل و نسبت اتمی فیلم برای فرآیندهای اکسیدی سه‌گانه برقرار است که نشاندن یک فیلم با یک ترکیب دلخواه معین را سخت‌تر می‌کند. برای مثال، مطالعات بیشتری روی لایه‌نشانی اتمی SrTiO3 ایجاب می‌کند که نسبت اتمی 1: 1 برای Sr: Ti در فیلم‌ها نیز برای نسبت‌های سیکل لایه‌نشانی اتمی بین 67/0 تا 82/0 ممکن است. سایر دشواری‌ها در کنترل ترکیب برای لایه‌نشانی اتمی اکسید فلز سه‌گانه و چهارگانه ناشی از این است که پنجره‌های رشد برای فرآیندهای لایه‌نشانی اتمی باید به لحاظ گرمایی سازگار باشند و اینکه ناخالصی‌هایی که لایه‌نشانی اتمی به عنوان میخ‌های"ناخالصی δ" به درون فیلم‌ها وارد می‌کند که منتج به فیلم‌های ناهمگون در حین لایه‌نشانی می‌شود، نوعاً به ریخته‌گری نیاز دارند.

در حالی که لایه‌نشانی اتمی جنبه‌های مثبت بسیار دارد، عیب آن سرعت لایه‌نشانی پایین است. به دلیل زمان طولانی سیکل طی پالس کردن و پاک‌سازی پیش‌ماده و ماهیت لایه به لایه این تکنیک، آهنگ بسیاری از فرآیندهای لایه‌نشانی اتمی در محدوده 100 تا nm/h300 است، هرچند این آهنگ به میزان زیادی به طراحی راکتور و نسبت سطح بستر بستگی دارد. همان‌طور که مساحت سطح و حجم یک راکتور لایه‌نشانی اتمی بالا می‌رود، زمان مورد نیاز برای پالس و پاک‌سازی نیز افزایش می‌یابد. هم‌چنین بسترهای با نسبت سطح بالا به زمان‌های پالس و پاک‌سازی بلندتری احتیاج دارند تا به گاز پیش ماده اجازه دهند تا درون شیارهای پاک‌سازی و سایر عوارض سه بعدی سطح پخش شود. برای برطرف کردن این نقص، لایه‌نشانی اتمی فضایی (spatial ALD) به عنوان یک تکنیک نویددهنده ظهور کرده است که به طور قابل توجهی عملکرد را بهبود می‌بخشد. لایه‌نشانی اتمی فضایی با حذف اتاقک مرسوم پالس/پاک‌سازی و جایگزین کردن آن با یک هد فضایی تجزیه شده عمل می‌کند. این هد بستر را براساس موقعیت مکانی آن در معرض یک پیش‌ماده گازی خاص قرار می‌دهد. در یک طراحی، همان‌طور که هد به دور بستر می‌چرخد، پیش ماده ظاهر شده را اصلاح می‌کند که نتیجه آن رشد فیلم است. همین طور، نوعی لایه‌نشانی اتمی فضایی دیده شده است که در آن بستر از جلوی نازل‌های ثابت پیش ماده عبور می‌کند. این نازل‌ها به‌گونه‌ای قرار گرفته‌اند که با عبور از آن‌ها سیکل پیش‌ماده حاصل شده و فیلم رشد می‌کند. به طورکل، با تکنیک لایه‌نشانی اتمی فضایی، آهنگ لایه‌نشانی در حدود nm/h3600 قابل دستیابی خواهد بود.

تاکنون طیف وسیعی از مواد به‌وسیله لایه‌نشانی اتمی در مطالعات رشد داده شده‌اند. این مواد، شامل فلزات، عایق‌ها و نیمه‌هادی‌ها در دو شکل بلوری و بی‌نظم هستند. به‌علاوه، لایه‌نشانی اتمی انتخاب وسیعی از عناصر به منظور تولید ماده منتخب را پشتیبانی می‌کند، همان‌گونه که در جدول 1 لیست شده است. این جدول نشان می‌دهد؛ بیشتر انواع مواد متداولی که تاکنون به‌وسیله لایه‌نشانی اتمی رشد داده شده‌اند، اکسیدها، سولفیدها، نیتریدها و مواد خالص هستند. علی‌رغم فرآیند لایه‌نشانی اتمی پیچیده آن‌ها، ترکیبات با تعداد عناصر 3 یا بیشتر به‌دلیل خواص مواد مطلوبشان طرفداران بیشتری پیدا کرده‌اند. بنابراین، در چند مثال در این مقاله به آن‌ها پرداخته می‌شود.

 در حالی‌که مواد لیست شده در جدول 1 بسیار مطلوب هستند، به وضوح دیده می‌شود که هنوز ممکن نیست هر ماده‌ای را با لایه‌نشانی اتمی رشد داد. مهم‌ترین مانع محدود‌کننده رشد یک ماده به‌وسیله لایه‌نشانی اتمی، انتخاب مسیرهای محدود واکنش موثر است. انتخاب بیشتر به‌وسیله دسترسی به واکنش دهنده‌ها که بتوانند مسیر واکنش مناسب را فراهم کنند، محدود شده است. همان‌طور که قبلاً بیان شد، مطلوب است فرآیند لایه‌نشانی اتمی با یک اسلوب رشد خود محدودکننده انجام گیرد. این یک لیست از نیازمندی‌ها را بر واکنش دهنده‌ها تحمیل می‌کند. نخست، یک واکنش دهنده و ضد واکنش‌گر که ماده مورد نظر را لایه‌نشانی می‌کنند، یا باید در دسترس باشند یا ساخته شوند. در بعضی موارد، انتخاب واکنش دهنده‌های در دسترس برای یک عنصر داده شده، خیلی محدود است یا اصلاً وجود ندارد. واکنش دهنده‌ها باید به اندازه کافی فرار باشند تا در دمای اتاق و هم‌چنین تحت گرمایش کم در فاز گاز باقی بمانند. علاوه‌بر این، آن‌ها نباید در فاز گاز ترکیب شوند تا زمانی که به سطح نمونه رسیده و با آن واکنش کنند. برای این‌که به یک اشباع رشد سریع برسیم، واکنش سطح باید ترجیحاً سریع و بدون بازگشت باشد. واکنش دهنده و محصولات جانبی آن بعد از واکنش با سطح نباید با بستر، فیلم در حال رشد یا خود راکتور لایه‌نشانی اتمی حل شوند و یا آن را سیاه کنند و یا به هر طریق به آن آسیب برسانند. هم‌چنین ترجیحاً واکنش دهنده‌ها باید اندازه کوچکی داشته باشند تا از تشکیل پوشش سطح کاهش یافته به دلیل ممانعت استقرار اتم‌ها جلوگیری شود. نهایتاً انتخاب واکنش دهنده‌ها باید توجیه اقتصادی داشته باشد، چه بسا برخی از آن‌ها گران بوده و سنتز آن‌ها می‌تواند وقت گیر باشد. متاسفانه واکنش دهنده تمام عیاری وجود ندارد، لذا، انتخاب واکنش دهنده با سبک و سنگین کردن میان هزینه، میزان دسترسی، فراریت و واکنش پذیری انجام خواهد شد.

دو نوع واکنش دهنده فلزی اصلی وجود دارد: غیرآلی، همانند هالیدهای فلزی و عنصری و فلزات آلی، همانند آلکیل‌ها، سیکلوپنتاوینیل‌ها، آلکوکسیدها، دیکتونات‌های β، آمیدها، سیلیل‌ها و آمیدینات‌ها. در اینجا ما تعدادی از مزایا و مشکلات مربوط به هریک از دو نوع پیش ماده را بیان می‌کنیم. واکنش دهنده‌های عنصری، ماده‌هایی را رشد می‌دهند که عاری از آلودگی هستند و رشد آن‌ها با سد فضایی کم نمی‌شود، اما فقط دسته کوچکی از فلزات وجود دارد که فشار بخار بالای کافی‌ای برای مناسب بودن به عنوان واکنش دهنده عنصری را دارا هستند. هالیدها بسیار واکنش‌پذیر هستند، سد فضایی کمی دارند و می‌توانند در یک طیف دمایی گسترده استفاده شوند، اما فاقد محصولات جانبی واکنش‌پذیر هستند و اتم‌های هالید در آن‌ها به طور ناخواسته با ماده در حال رشد تلفیق می‌شود. آلکیل‌ها نیز به‌دلیل پیوند مستقیم کربن-فلز بسیار واکنش‌پذیر هستند و می‌توانند از H2O به عنوان ضد واکنش‌گر استفاده کنند، اما در دمای بالا تجزیه می‌شوند و فقط برای تعداد کمی از عناصر قابل استفاده هستند. بر خلاف آن، دیکتونات‌های β برای عناصر مختلفی قابل استفاده هستند، اما حجیم بوده و واکنش‌پذیری کمی دارند که به آهنگ رشد کم منجر می‌شود. آن‌ها هم‌چنین به ضد واکنش‌گرهای واکنش‌پذیر بیشتری همانند O3 نیاز دارند تا به آهنگ رشد بیشینه خود دست یابند. آلکوکسیدها عمدتاً ثبات دمایی پایینی دارند. آمیل‌ها و سیلیل‌ها واکنش‌پذیری خوبی از خود نشان می‌دهند، اما در دمای پایین تجزیه می‌شوند. آمیدینات‌ها یک جایگزین نوید بخش برای آینده هستند و برای گروه بزرگی از عناصر قابل استفاده هستند و از ثبات دمایی مناسب و واکنش‌پذیری خوبی برخوردارند. به دلیل نیاز به این سبک سنگین کردن‌ها و انتخاب محدود برای هر عنصر، تحقیق در واکنش دهنده‌های جدید ادامه دارد. جدول 2 گروه واکنش دهنده‌هایی که هم اکنون برای یک عنصر مفروض در دسترس هستند را لیست نموده است.

هم‌چنین انتخابی از ضد واکنش‌گرها که برای واکنش دهنده‌های فلزی مناسب هستند وجود دارد. برای نمونه، ضد واکنش‌گرهای اکسیژن شامل O3، H2O، H2O2 و O0 از یک منبع پلاسما هستند. تولید رادیکال‌های با واکنش‌پذیری بالا از یک پلاسما، مفهومی نسبتاً جدید در لایه‌نشانی اتمی است که عموماً به عنوان لایه‌نشانی اتمی بهبود یافته با پلاسما (PEALD) از آن یاد می‌شود. در حالی‌که O3 و O0 بسیار واکنش‌پذیر هستند، بنابراین می‌توانند از دمای تجزیه پایین‌تر استفاده کنند و قادر به استفاده از واکنش دهنده‌های فلزی کم‌تر واکنش‌پذیر هستند. هم‌چنین احتمال می‌رود که آن‌ها سطح بستر زیرین را اکسید کرده و یک لایه میانی ناخواسته را تولید کنند. علی‌رغم کم‌تر واکنش‌پذیر بودنH2O، عموماً از آن برای اکسیدها استفاده می‌شود، چون با سطح بستر ملایم‌تر رفتار می‌کند و می‌تواند دمای لایه‌نشانی بالا را بدون تجزیه شدن تحمل کند. به همین دلیل، سایر هیدریدها همانند NH3 و H2S عموماً به عنوان ضد واکنش‌گر به ترتیب برای نیتریدها و سولفیدها استفاده می‌شوند. در موارد نادر حتی H2Se نیز علی‌رغم سمی بودن برای رشد سلنیدها استفاده می‌شود.

در بخش‌های بعدی این مقاله ما برخی از آخرین و مهیج‌ترین کاربردهای لایه‌نشانی اتمی را نشان خواهیم داد. ما ترانزیستورهای تأثیر میدان، سلول‌های خورشیدی لایه نازک و پیل‌های سوختی را برای تأکید در اینجا انتخاب کرده‌ایم، چون این کاربردها هرکدام نشان می‌دهند که چگونه ویژگی‌های منحصربه‌فرد لایه‌نشانی اتمی ما را به سطوح جدیدی از عملکرد می‌رساند و فهم بنیادی عمیق‌تری به‌دست می‌آید. این مثال‌ها هم‌چنین گستره موادی که لایه‌نشانی اتمی می‌تواند بنشاند را نشان می‌دهد. در نهایت این انتخاب انجام شد تا نشان دهد مشکلات مهندسی و علمی مختلف می‌تواند به‌وسیله لایه‌نشانی اتمی، هم در صنعت و هم در مقیاس تحقیقاتی حل شود. به‌طور خلاصه ما امیدواریم، این کاربردها خواننده را قانع کند که لایه‌نشانی اتمی یک ابزار قدرتمند برای حل مسائل علم مواد است.

 

2. لایه‌نشانی اتمی در میکروالکترونیک: دی الکتریک‌های گیت با ثابت دی‌الکتریک بالا (high-k)
صنعت میکروالکترونیک یکی از بزرگ‌ترین صنایعی است که لایه‌نشانی اتمی را به خدمت گرفته است. در اواخر دهه 1990، سامسونگ در حال آزمایش لایه‌نشانی اتمی برای بهبود ظرفیت خازن‌ها در حافظه‌های DRAM بود. در تولید ترانزیستورهای جدید، تحقیق و توسعه به استفاده از لایه‌نشانی اتمی برای لایه‌نشانی فیلم‌های همدیس بدون حفره با ضخامت کنترل شده و یک ثابت دی‌الکتریک بالا تکیه دارد. همان‌طور که صنعت به سمت استفاده از دی‌الکتریک‌های ثابت بالا برای استک گیت ترانزیستور در ادوات میکروالکترونیکی پیش رفته است، لایه‌نشانی اتمی به طور افزایشی اهمیت پیدا کرده است. اکسیدهای گیت با ثابت بالا باید بسیار یکنواخت و عاری از حفره روی Si باشند تا از نشتی جریان به درون اکسید گیت جلوگیری شود. برای حل مشکل کاهش ضخامت اکسید، شرکت اینتل در سال 2007 لایه‌نشانی اتمی را به خط تولید انبوه خود افزود. این یک دلیل کلیدی بود که آن‌ها را موفق ساخت تا بدون تولید ترانزیستورهایی با مصرف توان بسیار بالا، در فناوری گره از nm65 به nm45 نانومتر برسند. لایه اکسیدی‌ای که آن‌ها استفاده کردند شامل یک بسته از لایه‌ها بود: یک لایه میانی SiON برای اثرناپذیر ساختن سطح Si به لحاظ الکتریکی، یک اکسید با ثابت دی‌الکتریک بالا با پایه HfO2 با ثابت دی الکتریک حدود 20، و یک لایه پوششی برای همساز کردن تابع کار فلز گیت. کمی پس از آن سایر فعالان بزرگ در صنعت نیمه‌هادی این راه را دنبال و شروع به تولید دی‌الکتریک‌های ثابت بالا با استفاده از لایه‌نشانی اتمی کردند.

همان‌طور که ادوات در حال کوچک‌تر شدن هستند، که به‌وسیله لایه‌نشانی اتمی که ضخامت معادل اکسید گیت را کاهش داده است مقدور شده است، محدودیت‌های جدید روی بلور Si توده‌ای، صنعت را مجبور کرده است تا به دنبال جایگزین‌های بهتر دیگری برای ترانزیستورهای مرسوم بگردند. در آخرین فناوری، گره nm22، شرکت اینتل ساختاری به‌نام سه گیتی را تولید کرد که ساختار آن تابع ساختار ترانزیستورهای FinFET است. به‌جای استفاده از کانال دو‌وجهی متداول که در شکل a3 دیده می‌شود، که فقط قسمت فوقانی کریستال توده‌ای Si بیرون است، این ساختار جدید ورقه‌های پره مانند Si که از بلور توده‌ای بیرون زده‌اند را دارد، همانند شکل b3 وa4.

در این طراحی سه‌گیتی، پره‌های با نسبت سطح بالا که از سطح بیرون زده‌اند، باید با یک اکسید گیت با ضخامت یکنواخت و ترکیب بسیار خوب و بدون حفره پوشیده شود، کاری که از عهده لایه‌نشانی اتمی به خوبی برمی‌آید. می‌توان حدس زد که چنین ساختار چند وجهی‌ای کاملاً آماده به‌کارگرفته شدن در تولید بوده است، به طوری که اکسیدهای گیت لایه‌نشانی اتمی همدیس هم اکنون بخشی از خط تولید حاضر هستند.

اگرچه اطلاعات مربوط به این‌که چه چیزی به‌وسیله سازندگان قطعات الکترونیکی در فناوری نسل بعد به‌کارگرفته خواهد شد، منتشر نشده است، اما مفید خواهد بود که به برخی از موضوعاتی که در دانشگاه‌ها و مؤسسات تحقیقاتی در حال بررسی و مطالعه هستند، نگاهی بیندازیم. یک ایده این است که از اکسیدهای گیت لایه‌نشانی اتمی همدیس استفاده کرده و در امتداد رد FinFET پیش رفته و سپس با از زیر بریدن گیت کمی از سمت جلو، آن را احاطه کرده و یک گیت امگا بسازیم، همان‌طور که شکل b4 نشان می‌دهد. ایده بعدی پوشاندن پره درست زیر سطح کریستال توده‌ای و ساختن یک گیت pi است که در شکل c4 ترسیم شده است. در آخرین طراحی از یک سیم یا لوله نیمه‌رسانا استفاده می‌شود که کاملاً به‌وسیله گیت احاطه شده است، مثل نانولوله شکل d4. این ساختارهای ادوات به‌وضوح به‌وسیله یک فرآیند همدیس مثل لایه‌نشانی اتمی امکان‌پذیر خواهد بود.

ایده دیگری که در حال بررسی است، پیدا کردن یک اکسید گیت برای Si که حتی ثابت دی‌الکتریک بالاتری دارد و می‌تواند به‌وسیله لایه‌نشانی اتمی نشانده شود. کاندیداهای ممکن شامل SrTiO3، TiO2 تمام ناخالص شد، LaLuO3، Hf1-x‌ZrxO2، SrRuO3، HfTiOx هستند. یک بار دیگر لایه‌نشانی اتمی نشان می‌دهد که به دلیل توانایی آن به رشد دادن فیلم‌های با ترکیب یکنواخت و راه نسبتاً سر راست کنترل ترکیب مواد آن به‌وسیله سیکل‌های مواد دوگانه متناوب در طول رشد، یک ابزار بسیار عالی برای کاوش مواد مرکب با ثابت دی‌الکتریک بالا است.

نهایتاً برای کاهش توان و افزایش سرعت ادوات، مطلوب است که تحرک‌پذیری حفره و الکترون درون کانال را به ترتیب برای ترانزیستورهای MOSFET کانال P (PMOS) و NMOS افزایش دهیم. بنابراین طبیعی است که به دنبال نیمه‌هادی‌های جایگزین برای توده‌ای کردن سیلیکون بگردیم که در آن‌ها تحرک‌پذیری حفره و الکترون بیشتر است. نیمه‌هادی‌های مرکب III-V عموماً مثال‌های خوبی از موادی با تحرک‌پذیری الکترون مناسب هستند، در حالی که Ge مثالی از یک ماده با تحرک‌پذیری حفره خوب است. ساختار FinFET نیز مزایای مشابهی در استفاده از این مواد دارد، اما به استک‌های گیت دی‌الکتریک جدید با ثابت زیاد نیاز خواهد داشت که با این مواد سازگار باشند. موادی مانند TaSiOx، HfO2، Al2O3 و HfAlO به طور موفقی تاکنون به عنوان دی‌الکتریک‌های با ثابت بالا به‌وسیله لایه‌نشانی اتمی برای مواد مرکب III-V و Al2O3 و HfO2 برای Ge به‌کار گرفته شده‌اند. هم‌چنین لازم است تا یک لایه اثرناپذیرساز مناسب بر روی Ge تشکیل شود، تا از فصل مشترک دی‌الکتریک با ثابت بالای III-V مربوط به اکسیدهای سطح محلی که تمایل به رسیدن به سطح فرمی دارند، خلاص شویم. به طور جالب توجهی، پیش ماده‌های لایه‌نشانی اتمی مشخص، با نام TMA توانایی برطرف کردن تمامی یا مقداری از این اکسیدهای محلی در طول فرآیند لایه‌نشانی اتمی را نشان داده‌اند. این هم یکی دیگر از مزایایی است که بر لایه‌نشانی اتمی به عنوان یک ابزار مهم برای توسعه علم الکترونیک در آینده تأکید می‌کند. با نگاهی دقیق‌تر در میابیم که لایه‌نشانی اتمی نوید یک تکنیک قابل‌توجه برای کاربردهای الکترونیکی در آینده را می‌دهد، چرا که نیمه‌هادی‌های جدید و کم‌بعد با ساختارهای ورق، لوله و سیم همانند گرافن، WSe2، نانولوله‌های کربنی و نانوسیم‌های نیمه‌هادی نیاز به یک پوشش اکسید گیت با ثابت دی‌الکتریک بالا دارند که خواص منحصربه‌فرد مواد کم‌بعد را زیاد مختل نکند. با مقیاس‌پذیری پیوسته و پذیرش مواد و طراحی‌های جدید، لایه‌نشانی اتمی در حال تبدیل شدن به یک ابزار بسیار مهم برای صنعت میکروالکترونیک در آینده است.

 

3. لایه‌نشانی اتمی در فوتوولتاییک: لایه‌های بافر در سلول‌های خورشیدی لایه نازک Cu (In,Ga) Se2
کاربردهای فراوانی برای لایه‌نشانی اتمی در ادوات فوتوولتاییک وجود دارد. موادی که به‌وسیله لایه‌نشانی اتمی نشانده می‌شوند در قالب لایه اثرناپذیرساز کنتاکت عقبی، در سلول‌های خورشیدی آلی به عنوان وسیله‌ای برای میزان کردن تابع کار الکترود و در سلول‌های خورشیدی حساس به رنگ (dye-sensitized) به عنوان یک سد برای جلوگیری از بازترکیب استفاده می‌شوند. به علاوه، لایه‌نشانی اتمی می‌تواند برای تولید اکسید رسانای شفاف برای فناوری سلول‌های خورشیدی لیست شده فوق، مورد استفاده قرار گیرد. هم‌چنین تحقیقاتی در رابطه با ایجاد یک لایه جاذب نور با استفاده از لایه‌نشانی اتمی، هم به شکل لایه نازک و هم به شکل نانوذرات با خواص حبس کوانتومی انجام شده است. در نهایت، همان‌طور که ما در این بخش با جزئیات بیشتری بررسی خواهیم کرد، لایه‌نشانی اتمی می‌تواند در سلول‌های خورشیدی استفاده شود تا خواص اتصال الکتریکی دیود سلول خورشیدی مهندسی شود.

قابلیت کنترل دقیق ترکیب یک ماده مرکب از سه یا چند عنصر به‌وسیله لایه‌نشانی اتمی در مواد اپتوالکتریک همانند فوتوولتاییک‌ها بسیار سودمند است، چون وسیله‌ای برای تغییر کنترل شده خواصی مانند پهنای باند، چگالی، رسانندگی، سطوح انرژی، و مورفولوژی را فراهم می‌کند. به عنوان مثال در ماده مرکب Zn1-xSnxOy رشد کرده به‌وسیله لایه‌نشانی اتمی، سطح نوار رسانایی و والانس بوسیه کاپیلاشرامی و غیره پیدا شد تا هنگامی که ترکیب از ZnO به SnOy تغییر می‌کند، این سطوح دچار تغییر شوند، همان طور که در شکل 5 نشان داده شده است.

یکی از کاربردهایی که در آن قابلیت میزان کردن ترکیب و بنابراین موقعیت نوارهای والانس و رسانایی مورد نیاز است، در سلول‌های خورشیدی لایه نازک Cu (In,Ga) Se2 (CIGS) است. چون CIGS وقتی لایه‌نشانی شود از نوع p خواهد بود، لایه‌های نوع n نیمه‌هادی‌های مختلف در سلول‌های خورشیدی CIGS به‌کار گرفته می‌شوند تا انشعاب (junction) p-n الکتریکی را تشکیل دهند، همان‌طور که در شکل a6 نشان داده شده است. لایه نوع n که مستقیماً بر روی قسمت فوقانی CIGS نشانده شده است، لایه بافر نامیده می‌شود. به دلیل این‌که این لایه بافر انشعاب p-n راتشکیل می‌دهد، خواص الکتریکی آن دارای اهمیت فراوانی است. ماده استاندارد برای این لایه بافر CdS است، اما چون CdS سمی است و هم‌چنین نور آبی را به‌طور نامطلوبی جذب می‌کند، تحقیقات گسترده‌ای در جهت یافتن جایگزینی مناسب انجام گرفته است. باور بر این است که یک آفست مثبت کوچک نوار رسانایی (CBO) در CIGS برای یک لایه بافر بهینه مورد نیاز است. پیدا کردن چنین CBO‌ای وظیفه‌ای است که فرآیند لایه‌نشانی اتمی که در آن ترکیب مواد مختلف تحت کنترل است، به خوبی از پس آن برمی‌آید. سایر مزایای لایه‌نشانی اتمی نیز برای سلول‌های خورشیدی CIGS مهم هستند. سطح CIGS با میزان زبری در محدوده nm10 تا nm100 بسیار ناهموار است و همان‌طور که تصویر میکروسکوپی TEM گرفته شده به‌وسیله لینداه و همکاران در شکل b6 نشان می‌دهد، شکاف‌ها می‌توانند بین بافت‌ها شکل بگیرند. بنابراین، مطلوب است که از یک لایه بافر همدیس، همانند لایه‌هایی که به‌وسیله لایه‌نشانی اتمی به‌دست می‌آیند، استفاده شود تا سطح زبر CIGS را کاملاً بپوشاند. این موضوع به خصوص در زمان ساخت در مقیاس بزرگ مهم است، چون لایه بافر باید در سطح کل یک ماژول خورشیدی m21 از حفره تهی باشد تا عملکرد آن تنزل پیدا نکند.

تحقیقات گسترده‌ای بر روی لایه‌های بافر CIGS انجام شده است، اما سیستم دوتایی ZnO اولین لایه بافر CIGS بود که به‌وسیله لایه‌نشانی اتمی نشانده شد. دیده شد که عمدتاً به دلیل بازترکیب بالا که از CBO نامطلوب نشأت می‌گیرد، عملکرد ZnO دچار اشکال است. این به تولید سیستم‌های مرکب لایه‌نشانی اتمی سه‌تایی همانند Zn (O,S) و (Zn,Mg) O منجر شد که در آن خواص ZnO طوری اصلاح می‌شود که یک CBO مطلوب‌تر به‌دست آید. هر دوی این مواد مرکب سه‌تایی رشد داده شده به‌وسیله لایه‌نشانی اتمی بعداً به عنوان منتخب بهترین لایه‌های بافر برای سلول‌های خورشیدی CIGS شناخته شدند، که هرکدام ادواتی با بازدهی تبدیل توان بیش از 18% را تولید کردند که قابل مقایسه یا بهتر از ادوات مرجع مشابه که از CdS استفاده می‌کردند، بود. در این اثناء، ماده مرکب دوتایی In2S3 رشد داده شده به‌وسیله لایه‌نشانی اتمی با بازدهی تبدیل بیش از 16% عملکرد بسیار خوبی در تولید سلول‌های خورشیدی CIGS داشته است. اخیراً تمایل به استفاده از لایه‌نشانی اتمی برای لایه‌های بافر CIGS به دلیل بهبود و فهم بهتر سیستم‌های ذکر شده فوق و هم‌چنین توسعه مواد مرکب جدید، مثل Zn1-xSnxOy و ZnInS افزایش یافته است.

در آزمایشی که اخیراً به‌وسیله هوکوسیت و همکاران، به منظور پیدا کردن ترکیب مطلوبCBO انجام شده، ترکیب لایه بافر Zn1-xSnxOy در سلول‌های خورشیدی CIGS تغییر کرده است. این نتایج پیشتر به قدرت لایه‌نشانی اتمی در انجام میزان کردن ترکیبات مواد تأکید می‌کند. شکل 7 بازدهی تبدیل نتیجه شده سلول‌های خورشیدی به عنوان تابعی از ترکیب Zn1-xSnxOy را نشان می‌دهد. این نتایج نشان می‌دهد که عمدتاً به دلیل ولتاژ مدار باز بالا که نشانگر غیر مستقیمی از یک جریان بازترکیب کوچک است، مواد مرکب Zn1-xSnxOy میانی وجود دارد که در آن‌ها بازدهی سلول‌های خورشیدی بالاتر است. بنابراین، با تنطیم نمودن میزان ترکیب Zn1-xSnxOy و سطح باند رسانش، یک CBO مطلوب با جفت‌گیری کاهش یافته برای یک ترکیب با مقدار تقریبی x=0.2 پیدا شده است. در یک مطالعه جدیدتر به‌وسیله لیندال و همکاران نشان داده شده است که می‌توان با استفاده از ترکیب و ضخامت مناسب Zn1-xSnxOy عملکرد سلول‌های خورشیدی CIGS را به بالاتر از 18% ارتقا داد. همین مطالعه نشان داد که اگر لایه ذاتی ZnO که نوعاً برای جلوگیری از شانت‌ها نشانده می‌شود نازک می‌شد یا کلاً از استک سلول‌های خورشیدی CIGS حذف می‌شد، عملکرد سلول‌های خورشیدی CIGS با استفاده از لایه‌های بافر Zn1-xSnxOy با ضخامت کافی می‌توانست حفظ شود. این کاهش یک پله‌ای فرآیند که به‌وسیله خواص پوشش‌گذاری همدیس بدون حفره لایه‌نشانی اتمی امکان‌پذیر می‌شود، پتانسیل کاهش هزینه‌های تولید ماژول‌های CIGS را دارد.

در گزارش‌های متعددی نشان داده شده است که به طور کلی لایه‌های بافر برای سلول‌های خورشیدی CIGS رشد داده شده به‌وسیله لایه‌نشانی اتمی، بازدهی تبدیل قابل توجهی به‌جای CdS دارند. در حالی که این لایه‌ها منجر به جریان مدار کوتاه (Jsc) بالاتری می‌شوند، به‌دلیل بازترکیب میانی بیشتر با لایه‌های بافر جایگزین، آن‌ها ندرتاً به لحاظ Voc بهتر از CdS‌های مرسوم عمل می‌کنند. در این تحقیق، لایه‌نشانی اتمی به خاطر قابلیت کنترل خواص مواد آن، یک ابزار بسیار مهم روی مواد مرکب پیچیده‌تر قلمداد شده است. علاوه‌بر این، قابلیت تنظیم خواص الکترونیکی لایه بافر، علاقه‌مندی به لایه‌نشانی اتمی در میان گروه‌هایی که در حال حاضر مواد جاذب فیلم بلوری نازک نوین همانند S,Se) 4 Cu2 (Zn,Sn) (، SnS و CuO2 را توسعه می‌دهند، افزایش یافته است که تغییرات مشابه در مورد CIGS اتفاق می‌افتد.

 

4. لایه‌نشانی اتمی در ذخیره‌سازی انرژی: Pt وYSZ برای پیل‌های سوختی اکسید جامد
کاربرد دیگری که لایه‌نشانی اتمی در آن پتانسیل خوبی از خود نشان داده است، نسل جدید پیل‌های سوختی به‌خصوص پیل‌های سوختی اکسید جامد (SOFC) است. پیل‌های سوختی اکسید جامد، وسایل الکتروشیمیایی حالت جامدی هستند که قادر به تبدیل انرژی شیمیایی به شکل هیدروژن یا سایر گازهای هیدروکربنی به انرژی الکتریکی هستند. پیل سوختی‌های اکسید جامد شامل سه لایه هستند؛ یک ماده‌اند متخلخل، یک الکترولیت رسانای یون و یک ماده کاتد که همه آن‌ها می‌توانند از مزایای لایه‌نشانی اتمی بهره‌مند گردند. دمای کارکرد برای سیستم پیل سوختی SOFC، 800 تا 1000 درجه سانتیگراد است. اکثر تحقیقات اخیر در رابطه با پیل‌های سوختی اکسید جامد روی کاهش دمای کارکرد به محدوده 300 تا 600 متمرکز شده است. برای کاهش دادن محدودیت‌های مربوط به دمای کم‌تر، همانند رسانندگی یونی پایین‌تر و سینتیک واکنش کندتر در الکترودها، راهبردهای مختلفی بیان شده است. یک رهیافت، کاهش مقاومت الکترولیت است؛ یا از طریق نشر یک ماده که رسانندگی یونی بالاتری در محدوده‌های دمای پایین‌تر دارد (300 تا 600 درجه سانتیگراد) یا به‌وسیله کاهش ضخامت فیلم الکترولیت. روش دوم دو مزیت دارد: در کنار مقاومت کم‌تر ابزار، لایه نازک به‌دلیل طول انتشار کاهش یافته، اجازه انتقال سریع یون‌ها بین الکترودها را مقدور می‌کند. رهیافت دیگر بهبود بخشیدن سینتیک واکنش در الکترودها با کاتالیست است که در دمای پایین‌تر موثرتر است. هر دوی این رهیافت‌ها می‌توانند با استفاده از لایه‌نشانی اتمی به‌دست آیند و در تعدادی از مطالعات لایه‌نشانی اتمی را برای لایه‌نشانی الکترولیت‌ها و کاتالیست‌ها به‌کار برده‌اند.

الکترولیت در SOFC‌ها عموماً، ایریتا زیرکونیای تثبیت شده (YSZ) یا سریای ناخالص شده با گادولینیا (GDC) است که سرامیک‌های رسانا و چگال هستند. مطالعات گوناگونی رشد YSZ به‌وسیله لایه‌نشانی اتمی را با تمرکز بر بهبود رسانندگی یونی و کاهش قابل‌توجه ضخامت فیلم الکترولیت بررسی کرده‌اند. الکترولیت YSZ به‌وسیله لایه‌نشانی متناوب Y2O3 و ZrO2 برای دستیابی به ترکیب مناسب YSZنشانده شده است. در یک مطالعه به‌وسیله شیم و همکاران، لایه‌های نازک YSZ که به‌وسیله لایه‌نشانی اتمی تهیه شده‌ بودند با فیلم‌های مرجع YSZ که به‌وسیله اسپاترینگ فرکاس رادیویی (RF) تهیه شده‌ بودند، مقایسه شدند. نسبت ترکیب ZrO2: Y2O3 در YSZ میزان 08/92: 0/0 بود (8% مولی ناخالصی) ، مقداری که اغلب برای ترکیب توده‌ای YSZ برای نتیجه‌گیری بهینه در SOFC انتخاب می‌شود. الکترودهای SOFC‌های لایه‌نشانی اتمی و اسپاترینگ RF شده، پلاتین 80 نانومتری متخلخل بود. نشان داده شده بود که فیلم‌های 60 نانومتری YSZ لایه‌نشانی اتمی، چگالی توانی برابر با mW/cm2270 و انرژی اکتیواسیونی برابر با ev88/0 داشته‌اند، در حالی که فیلم‌های YSZ تهیه شده به‌وسیله اسپاترینگ RF با ضخامت nm50 چگالی توانی برابر با فقط mW/cm2130 در 350 درجه سانتیگراد دارند، همان‌طور که در شکل 8 دیده می‌شود. به علاوه شیم تأکید کرده که چگالی توان تبادلی فصل مشترک YSZ لایه‌نشانی اتمی Pt چند ده هزار بار بزرگ‌تر از فصل مشترک مرجع YSZ/Pt بود که نشان می‌دهد که مورفولوژی نانوبلوری فیلم‌های YSZ تهیه شده با لایه‌نشانی اتمی خواص کاتالیستی تجزیه اکسیژن را بهبود بخشیده است.

اخیراً، بررسی‌ها روی لایه‌‌های نازک YSZ لایه‌نشانی شده به‌وسیله لایه‌نشانی اتمی در ترکیب الکترولیت YSZ و تأثیرات آن روی رسانندگی یونی و فعالیت کاتالیستی صورت گرفته است. سان و همکاران، رسانندگی یونی YSZ رشد داده شده به‌وسیله لایه‌نشانی اتمی را با تغییر نسبت سیکل لایه‌نشانی اتمی به ازای تغییر نسبت ZrO2: Y2O3 از 1: 1 به 6: 1 مورد بررسی قرار داده‌اند. این نسبت سیکل‌ها و سرعت رشد مربوط به آن‌ها با یک نسبت مولی ناخالصی در محدوده 8/28 تا 3/4 درصد مولی وابستگی دارد. نسبت سیکل 4: 1 (4/10% مولی ناخالصی Y) به بیشترین رسانندگی در همه فیلم‌ها منجر شد که دو مرتبه بزرگ‌تر از توده YSZ (8% مولی ناخالصی Y) بود. این تفاوت بزرگ به غیریکنواختی ناخالصی در جهت عمودی دیوایس که از طبیعت سیکل فرآیند لایه‌نشانی اتمی ناشی می‌شود، نسبت داده می‌شود. در شکل 9 نشان داده شده است که ناخالصی ایتریا (نقاط آبی) در جهت عمودی به طور فضایی بسته به نسبت سیکل لایه‌نشانی اتمی تغییر می‌کند. ارزیابی تئوری ناخالص‌سازی فضایی و ارتباط آن با رسانندگی یونی در حال بررسی و مطالعه است. در یک مطالعه مرتبط به‌وسیله چاو و همکاران، یک لایه بهسازی سطح 7 نانومتری از YSZ که روی آن توده‌ای500 میکرومتری نشانده شده برای تبادل سطحی و خواص انتقال بررسی شده است. فیلم‌های لایه‌نشانی شده با Y2O3: ZrO2 با نسبت 2: 6 در سیکل‌های لایه‌نشانی اتمی (14% مولی ناخالصی Y) نسبت به YSZ توده‌ای با افزایش ثابت تبادل سطح 5 برابر روبه‌رو شده‌اند، هرچند هیچ‌یک از فیلم‌ها خواص انتقال بهبود یافته‌ای به نمایش نگذاشته‌اند.

علاوه‌بر مطالعات الکترولیت به‌وسیله لایه‌نشانی اتمی، تلاش زیادی روی کاتالیز کردن واکنش‌های اکسایش و کاهش در الکترودها صورت گرفته است. با افت اکتیواسیون واکنش همراه با دمای عملکردی، راهبردهای بسیاری برای بهبود سینتیک واکنش مورد بررسی قرار گرفته‌اند. یک روش عام از طریق اسپاترینگ و لایه‌نشانی اتمی فلز پلاتین بر روی کاتد بوده است. پلاتین می‌تواند به‌وسیله لایه‌نشانی اتمی با پیش‌ماده تری متیل پلاتینیوم و یک ضد واکنش‌گر هوا (اکسیژن) لایه‌نشانی شود. لایه‌نشانی اتمی پلاتین و فلز نجیب به طور کل، سرعت هسته‌گذاری پایینی دارند. یکی از مزایای استفاده از لایه‌نشانی اتمی نسبت به اسپاترینگ برای نشاندن پلاتین، زبری ذاتی فرآیندهای لایه‌نشانی اتمی فلزات نجیب است که مساحت سطح کاتالیست (مرز سه فازی کاتالیست) را افزایش می‌دهد و منجر به ایجاد یک وسیله پربازده‌تر می‌شود.

در یک مطالعه مقدماتی به‌وسیله جیانگ و همکاران روی کاتالیست‌های الکترود پلاتین، بر پتانسیل لایه‌های نازک پلاتین در SOFC تأکید شد. در بررسی آن‌ها ضخامت فیلم‌های رشد داده شده پلاتین به‌وسیله لایه‌نشانی اتمی بین 5، 10 و 30 نانومتر تغییرکرد و با فیلم‌های80 نانومتری پلاتین که به‌وسیله اسپاترینگ جریان مستقیم نشانده شده بود، مقایسه شد. در فیلم‌های لایه‌نشانی اتمی، بهترین عملکرد الکترود کاتالیستی در پلاتین 80 نانومتر ضخامت با میزان mW/cm250 دیده شد، اما فیلم‌های پلاتین نشانده شده به‌وسیله اسپاترینگ جریان مستقیم، چگالی توان بالاتری برابر با mW/cm280 در دمای عملکردی 350 درجه سانتیگراد داشتند. این احتمالاً به دلیل اختلاف تخلخل در دو روش لایه‌نشانی بوده است. فیلم‌های لایه‌نشانی اتمی 10 نانومتری، تخلخلی در محدوده 15 تا 20% داشته‌اند، در حالی که فیلم‌های اسپاترینگ جریان مستقیم، از تخلخلی بین 30 تا 40% بهره می‌بردند که به آن‌ها قابلیت نفوذپذیری سوخت بهتری می‌داد. مطالعه آن‌ها نشان داد که روش ساخت لایه‌نشانی اتمی بارگذاری پلاتین مورد نیاز در پیل سوختی، اکسید جامد را کاهش می‌دهد. اخیراً، آن و همکاران چگالی مرز سه فازی فیلم‌های لایه‌نشانی اتمی، تابعی از سیکل‌های لایه‌نشانی اتمی و چگالی توان حاصله آن‌ها را بررسی کردند. این لایه‌های نازک لایه‌نشانی اتمی نیز با فیلم‌های 80 نانومتری پلاتین اسپاترینگ جریان مستقیم، مقایسه شده‌اند. نتایج آن‌ها با نتایج به‌دست آمده از تحقیقات جیانگ و همکاران سازگار بود و نشان داد که در حالی که بهبود دیوایس آنچنان قابل توجه نبود، بارگذاری پلاتین به طور قابل توجهی کاهش یافت. فیلم‌های پلاتینی لایه‌نشانی اتمی به طور تقریبی فقط 10% مقدار پلاتینی که برای همان عملکرد دیوایس با فیلم‌های اسپاترینگ جریان مستقیم نیاز است، مصرف کرده‌اند. این مقدار کاهش یافته بارگذاری آن طور که آنالیز میکروسکوپ TEM نشان می‌دهد، از مجاورت و از چگالی مرز سه‌فازی بالا ناشی می‌شود. بارگذاری کاهش یافته یک دستاورد بسیار مهم برای چشم انداز اقتصادی بلند مدت استفاده از کاتالیست‌های پلاتین برای پیل‌های سوختی مقیاس میکرو به حساب می‌آید.

در مطالعه دیگری جیانگ و همکاران از فرآیند‌های لایه‌نشانی اتمی با سطح انتخابی برای تولید شبکه جمع‌آوری جریان روی کاتد La0.6Sr0.4SO0.2Fe0.8O3 استفاده کردند. برای ساخت طرح شبکه، در کنار یک تک لایه اکتادی سیل تری کلورو سیلان (ODTS) ، روش‌های چاپ اتصال میکرو استفاده شد. در مطالعات قبلی نشان داده شده است که ماده ODTS برای غیر فعال کردن سطح برای فرآیند‌های لایه‌نشانی اتمی پلاتین استفاده می‌شود. این کار به فلز پلاتین اجازه داد تا درون یک ساختار شبکه‌ای، طرح به خود بگیرد. چگالی توان پیل سوختی اکسید جامد میکرو با شبکه پلاتین و بدون شبکه، به ترتیب 7/110 و µW/cm‌22/11 بود. این افزایش چگالی، به جذب تجزیه‌کننده اکسیژن بهبود یافته روی کاتد از جنس فلز پلاتین به همراه جمع‌آوری جریان بیشتر از کاتد نسبت داده می‌شود. به طور خلاصه، تکنیک‌های لایه‌نشانی اتمی، نوید عملکرد سازگار ادوات اسپاترینگ شده پیل سوختی اکسید جامد به همراه امتیاز کاهش میزان بارگذاری مورد نیاز ماده برای یک عملکرد خاص را می‌دهد. همان‌طور که مطالبی بیشتر درباره ساختار و مرز سه‌گانه فازی کاتالیست‌های کاتد و الکترولیت‌های هادی یون فهمیده می‌شود، لایه‌نشانی اتمی با کنترل ضخامت و ترکیب بسیار عالی، پتانسیل ایفای یک نقش اساسی در توسعه نسل بعدی پیل‌های سوختی اکسید جامد را دارا است.

 
5. خلاصه و چشم‌انداز
همان‌طور که ادوات کوچک‌تر می‌شوند و ساختار آن‌ها به سمت اشکال سه بعدی پیچیده پیش می‌رود، نیاز به لایه‌های نازک همدیس و قابل کنترل بیشتر حس خواهد شد. لایه‌نشانی اتمی، یکی از کارآمدترین روش‌های ممکن است که با واکنش‌های خود محدود‌کننده و پی‌در‌پی آن قادر به برآوردن این تقاضاها است. تکنیک‌های قابل قیاس، همانند CVD و PVD قادر به فراهم کردن سطحی یکنواخت، همدیس و با ضخامت کنترل شده در حد آنگستروم همانند روش لایه‌نشانی اتمی نیستند. به دلیل مزیت‌های لایه‌نشانی اتمی، فرآیندهای لایه‌نشانی اتمی برای انواع مختلفی از مواد، فلزات، تا اکسیدفلزات و مواد پیچیده سه‌گانه توسعه داده شده است که این به لایه‌نشانی اتمی اجازه می‌دهد تا با روش‌های صنعتی آمیخته شود.

در این مقاله، ما به طور خلاصه بسیاری از مزایای لایه‌نشانی اتمی، همانند همدیسی، کنترل ضخامت و کنترل ترکیب به همراه گستره وسیعی از کاربردهایی که در آن لایه‌نشانی اتمی می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد را مورد بررسی قرار دادیم. این کاربردها شامل فناوری‌های مختلفی همانند صنعت تبدیل انرژی (فوتوولتاییک، پیل سوختی) و صنعت نیمه‌هادی‌ها (ترانزیستورهای با ثابت دی‌الکتریک بالا) هستند. در سلول‌های خورشیدی CIGS از لایه‌نشانی اتمی برای نشاندن لایه‌های نازک همدیس لایه‌های بافر Zn1-xSnxOy استفاده شده است. با تنظیم ترکیب و ضخامت فیلم‌های Zn1-xSnxOy با استفاده از لایه‌نشانی اتمی، بازدهی دیوایس می‌تواند برای یک مقدار تقریبی x=0.2 تا حداکثر 18% افزایش یابد. برای پیل‌های سوختی اکسید جامد، لایه‌نشانی اتمی در نشاندن کاتالیست پلاتین استفاده شده است که چگالی توانی قابل مقایسه با ادوات تولید شده به‌وسیله اسپاترینگ جریان مستقیم را ارائه می‌دهد، اما فقط به 10% ضخامت فلز پلاتین نیاز دارد. به علاوه، لایه‌نشانی اتمی برای نشاندن لایه‌های نازک الکترولیت YSZ در جهت کم کردن مسافت تبادل یونی به‌کار رفته است. با دستکاری کردن نسبت Y2O3: ZrO2 در فوق سیکل‌های لایه‌نشانی اتمی، ترکیب فیلم YSZ حاصله می‌تواند برای دستیابی به خواص انتقال و تبادل سطحی بسیار خوب کنترل شود. در نهایت، این مقاله، مواد دی‌الکتریک ثابت بالای نوپایی را معرفی کرد که در آن‌ها از لایه‌نشانی اتمی برای نشاندن مواد جدید همانند TiO2 ناخالص شده با آلومینیوم، LaLuO3، Hf1-xZrxO2، SrRuO3 و HfTiOx استفاده شده است. هم چنین، همان‌طور که ترانزیستورها تکامل می‌یابند، روش‌های لایه‌نشانی اتمی برای مواد دی‌الکتریک بالای مرسوم، همانند روشی که برای HfO2 به‌کار می‌رود، برای FinFET‌ها استفاده می‌شوند و یک پوشش یکنواخت و همدیس روی پره به‌وجود می‌آورد.

همان‌طور که این ادوات توسعه می‌یابند، اغلب یک رهیافت عمومی نوپا برای این‌که مساحت و چگالی سطح بیشینه شود تا بازدهی دیوایس افزایش یابد، روی آوردن از ادوات دوبعدی دووجهی سنتی به ساختارهای سه بعدی بسیار منظم است. همان‌طور که محققان به دنبال فراتر رفتن از این ساختارهای پیچیده کوچک هستند، تقاضا برای تکنیک‌های لایه‌نشانی بی‌نقص بیشتر می‌شود و منجر می‌شود تا لایه‌نشانی اتمی یک نقش اساسی را در توسعه بیشتر ادوات بازی کند. همراه با فناوری‌های جدیدتر، همانند لایه‌نشانی اتمی فضایی که سرعت لایه‌نشانی را بیشتر می‌کند و راکتورهای لایه‌نشانی اتمی تجاری شده، همان‌طور که مواد بیشتری توسعه می‌یابند حضور لایه‌نشانی اتمی در ساخت و تولید رو به افزایش می‌گذارد. همان‌طور که تعداد سیستم‌های لایه‌نشانی اتمی بیشتر می‌شود، گسترش این تکنیک، نه تنها برای صنایعی که در این مقاله مرور شد، بلکه در کاربردهای جدیدتری همانند آشکارسازهای کاشتنی و دارویی، تولید پوشش‌های فوق مقاوم روی سطوح مختلف و همین‌طور بسیاری کاربردهای دیگری که می‌تواند از کنترل دقیق و منحصربه‌فرد آن روی ضخامت، ترکیب و همدیسی بهره‌مند شوند، بیشتر دنبال می‌شود.

 

منبع:

Richard. W. Johnson et all, Materials Today, 17 (2014) 5, 236-246.