مقدمه‌ای بر لایه‌های نازک

۱- مفهوم لایه‌های نازک

به طور کلی لایه به ماده یا موادی گفته می‌شود که به صورت پوششی بر یک سطح یا ماده می‌نشینند و باعث ایجاد خواص الکتریکی، فیزیکی و مکانیکی سطحی جدیدی می‌شود که که خصوصیات سطحی زیر لایه را ارتقاء می‌بخشد.

معمولا در فیزیک حالت جامد، مواد را به صورت توده‌ای مورد بررسی قرار می‌دهند. در عموم روش‌های لایه‌نشانی، هنگامی که ماده از حالت توده‌ای به صورت اتم‌ها، مولکول‌ها یا یون‌های مجزا درآیند و روی سطح زیرلایه نشینند، پوششی ایجاد می‌شود که آن را لایه می‌نامند. چگالش ذرات اتمی، مولکولی یا یونی برای تشکیل لایه بر روی زیرلایه توسط فرایندهای فیزیکی و شیمیایی مختلفی صورت می‌گیرد. شکل ۱ شماتیک ساختار لایه و زیرلایه را نشان می‌دهد.

شکل ۱- شماتیک ساختار لایه و زیرلایه نسبت به هم [۱]

معمولا اگر لایه تشکیل شده نازک باشد، خواص فیزیکی جدیدی از خود بروز می‌دهد که با خواص همان لایه به صورت توده‌ای متفاوت است که به این ترتیب می‌توان قابلیت‌های جدیدی به محصول افزود. اصولاً لایه‌ها و پوشش‌های مختلف از نقطه نظر ضخامت به سه گروه تقسیم می‌شوندکه عبارتند از:

۱- لایه‌های بسیار نازک با ضخامت کمتر از ۵۰ انگستروم
۲- لایه‌های نازک با ضخامت بین ۵۰ تا ۵۰۰۰ انگستروم
۳- لایه‌های ضخیم با ضخامت بیش از ۵۰۰۰ انگستروم

طبق تعریف بالا، لایه‌های نازک لایه‌هایی هستند که ضخامت آنها بین ۵۰ تا ۵۰۰۰ انگستروم می‌باشد. به بیان دیگر لایه‌های نازک، لایه‌های با دقت اتمی طراحی شده‌ای از انواع مواد اعم از فلزات، عایق‌ها، نیمه‌رساناها هستند. لایه‌های نازک را می‌توان در دسته پوشش‌های نانو ساختار دسته‌بندی کرد. همچنین کاربرد عمده این لایه‌های نازک در اصلاح خواص سطح جامدات است.

لایه‌های نازک و بسیار نازک، از دو ویژگی مهم برخوردار هستند. اولین ویژگی، ضخامت زیرمیکرونی آن است که هر چه به اندازه نانو نزدیک‌تر شود، ویژگی‌های متفاوت‌تری را برای لایه به وجود می‌آورد. دومین ویژگی آن است که لایه‌ها می‌توانند سطوح فوق العاده بزرگی نسبت به ضخامت داشته باشند. این دو ویژگی باعث پدید آمدن خواص متفاوت‌تر و کاربردی می‌شوند که در قسمت خواص لایه‌های نازک به آن پرداخته خواهد شد [۳-۱].

۲- اهمیت لایه‌های نازک

در سال‌های اخیر، علم لایه‌های نازک در میان سایر علوم رشد قابل ملاحظه‌ای داشته و حجم وسیعی از تحقیقات را به خود اختصاص داده است. بی شک رشد چشمگیر ارتباطات، پردازش اطلاعات، ذخیره‌سازی، صفحه‌های نمایش، صنایع تزئینی، ابزارآلات نوری، مواد سخت و عایق‌ها نتیجه تولید لایه‌های نازک براساس فناوری‌های نوین می‌باشد. در ساخت لایه‌های نازک نیز در سال‌های اخیر تحولات وسیعی صورت گرفته است که خود ناشی از پیشرفت در فناوری خلاء، تولید میکروسکوپ‌های الکترونی و ساخت وسایل دقیق و پیچیده‌ی شناسایی مواد است. همچنین باز شدن مباحثی نظیر میکروالکترونیک، اپتیک و نانوتکنولوژی مدیون اهمیت پوشش‌های لایه نازک می‌باشد. از نقطه نظر تاریخی در ابتدا تکنولوژی لایه نازک در صنایع مدارهای مجتمع (شکل ۲) استفاده شد. در ادامه طی ۴۰ سال اخیر، نیاز صنایع به ابزارهای کوچکتر و سریع‌تر، تکنولوژی و فیزیک لایه‌های نازک را جهت رسیدن به این هدف بهبود بخشید.

شکل ۲- تصویر مقطع عرضی مدل یک مدار مجتمع (IC) سه بعدی[۷].

لایه‌های نازک با ضخامت زیر میکرونی، با خواصی ناشی از همان دو ویژگی اصلی آنها که شامل نازک بودن و بزرگی فوق‌العاده نسبت سطح به حجم است، کاربردهای فراوانی در فناوری‌های نوین یافته‌اند. برخی خصوصیاتی که در اثر نازک بودن سطح به وجود می‌آید شامل افزایش مقاومت ویژه، ایجاد پدیده تداخل نور، پدیده تونل زنی، مغناطیس شدگی سطحی، تغییر دمای بحرانی ابررساناها می‌باشد. همچنین برخی خصوصیاتی که از بزرگی سطح لایه‌های نازک ناشی می‌شود شامل پدیده جذب سطحی فیزیکی و پدیده جذب سطحی شیمیایی، پدیده پخش و فعال‌سازی می‌باشد.

با توجه به عملکرد و خواص لایه‌های نازک، می‌توان از آنها جهت بهبود تکنولوژی‌هایی نظیر سلول‌های خورشیدی، سنسورها، کاربردهای نوری، مهندسی الکترونیک و فروالکترونیک نیز استفاده نمود. امروزه کاربرد لایه‌نشانی در صنایع، موضوع توسعه یافته‌ای است. به گونه‌ای که بخش بزرگی از زندگی مدرن را مدیون توسعه صنعت لایه‌نشانی می‌دانند [۳و۴].

۳- تاریخچه لایه‌های نازک

فناوری لایه‌های نازک قدمتی چندهزار ساله دارد. این تکنولوژی، به طور همزمان، هم یکی از قدیمی‌ترین هنرها و هم یکی از جدیدترین علوم می‌باشد. احتمالاً مصریان اولین کسانی بودند که از هنر زرکوبی و طلاکاری برای تزیین و مقاوم‌سازی سطوح استفاده می‌کرده‌اند. در حدود چهار هزار سال پیش، هنر چکش‌کاری طلا با تولید ورقه‌های بسیار نازک زیبا و پایدار در برابر فرایندهای شیمیایی کاربرد داشته است. همچنین در گذشته، سالیان متمادی لایه‌نشانی جیوه بر روی قطعات مسی انجام می‌گرفته است. صرف‌نظر از امکان استفاده لایه‌های نازک، فناوری تولید لایه نازک از حدود ۳۰۰ سال پیش آغاز شد. اولین روشی که منجر به تولید لایه نازک فلزی شد، در سال ۱۸۳۸ به روش الکترولیز بود. در قرن ۱۹ میلادی لایه نازک مایع از دیدگاه اپتیکی بسیار مورد توجه بوده است. رفته رفته با پیشرفت تکنولوژی، در قرن ۲۰ میلادی تولید لایه نازک جامد رشد کرد. در اوایل قرن ۲۰ میلادی، با رشد تکنولوژی میکروالکترونیک، ساخت لایه‌های نازک‌تر از ۱میکرومتر(زیرمیکرونی) اهمیت ویژه‌ای بدست آورد و در اواخر قرن ۲۰ با ظهور و پیشرفت مباحث نانومتری و پیدایش روش‌های شناسایی نظیر XPS، تولید لایه‌ی نازک نانومتری (زیر ۱۰۰نانومتر) پیشرفت چشمگیری پیدا کرد [۳] و [۵-۷].

۴- فیزیک لایه‌های نازک

فرایند رشد لایه‌های نازک در حالت لایه‌نشانی شبیه توده مواد، بصورت صفحه کامل نیست. وقتی با حجم ماده مقایسه می‌شود، خواص فیزیکی لایه نازک روی زیرلایه، قویاً ممکن است متفاوت باشد که وابسته به ساختار و مورفولوژی آن است. ویژگی‌هایی نظیر اندازه دانه، شکل، جهت و ... به مقدار زیادی مرتبط با مراحل جوانه زنی و رشد تعیین می‌شود و می‌تواند متاثر از شرایط لایه‌نشانی باشد [۷و۸]. فرایند رشد اتمی به این صورت است که در ابتدا یک ذره از فاز بخار، کندانس می‌شود که ممکن است بلافاصله تبخیر مجدد شود و یا در میان سطح نفوذ کند. فرایند نفوذ ممکن است به جذب در مکان‌های خاصی بیانجامد. طی فرایند رشد، برای بدست آمدن لایه‌ای با سطح صاف، به موبیلیته سطحی کافی جزء نفوذ کننده و دمای بالا نیاز می‌باشد. برای تشکیل لایه، ماده اولیه سه مرحله اساسی را طی می‌کند. در مرحله اول، ماده اولیه به ذره‌های اتمی، مولکولی یا یونی تبدیل می‌شود. سپس در مرحله دوم، فاصله بین منبع تا زیرلایه را طی می‌کند و در مرحله آخر، چگالش ذرات بر روی زیرلایه و تشکیل یک لایه جامد صورت می‌گیرد. چگالش لایه‌های نازک به شکل‌های مختلفی رخ می‌دهد که هر شکل آن به عوامل متعددی وابسته است که از آن دسته می‌توان به برهمکنش بین اتم‌های لایه‌ی در حال رشد و اتم‌های لایه و زیرلایه اشاره کرد. بطور عمده سه نوع رشد لایه نازک مشاهده گردیده است:

۱- رشد جزیره‌ای
۲- رشد لایه به لایه
۳- رشد لایه‌ای-جزیره‌ای

شکل ۳- شماتیک انواع فرایند رشد [۷].

شکل ۳ شماتیک سه فرآیند را به خوبی نشان می‌دهد. فرایند رشد لایه به لایه زمانی اتفاق می‌افتد که نیروی برهمکنش بین اتم‌های زیرلایه و لایه، قوی‌تر از نیروی برهمکنش بین فقط اتم‌های لایه باشد. ابتدا یک لایه از اتم‌ها بر روی زیرلایه‌ی جامد شکل می‌گیرد، سپس لایه دوم روی لایه اول تشکیل می‌گردد. لایه جدید، تنها زمانی شروع به رشد می‌کند که لایه قبلی کامل شده باشد. این نوع رشد، به رشد فرانک وندرمرو نیز معروف است. اما چنانچه برهمکنش بین اتم‌های لایه بیشتر از برهمکنش بین اتم‌های لایه و زیرلایه باشد، لایه‌ها بصورت جزیره‌ای رشد خواهند کرد. نام دیگر این نوع رشد، رشد ولمر-وبر می‌باشد. پیوند اتم‌ها به یکدیگر در حالت رشد جزیره‌ای قوی‌تر از پیوند آنها به زیرلایه است. رشد جزیره‌ای-لایه‌ای، که حالتی بین رشد لایه به لایه و رشد جزیره‌ای می‌باشد، یک یا چند تک لایه تشکیل می‌شود و سپس جزایر تکمیل می‌گردد. نام دیگر فرایند رشد، استرانسکی-کرستانف می‌باشد. در این حالت از رشد، بین لایه‌ی پوشش داده شده و زیرلایه ممکن است یک شبکه نامطابق ایجاد شود. اندازه دانه لایه نازکی که روی زیرلایه تشکیل می‌شود، بستگی به سرعت و دمای لایه‌نشانی آن دارد [۳و۴].

۵- کیفیت لایه‌های نازک

با توجه به نوع کاربرد لایه‌های نازک می‌توان کیفیت ساخت آنها را تغییر داد. از عواملی که در کیفیت لایه نازک موثرند می‌توان به سرعت لایه‌نشانی، دمای زیرلایه، نوع خلاء، ساختار زیرلایه و تطابق آن با لایه اشاره نمود. در مورد سطح مشترک لایه و زیرلایه، بایستی مرز مشترک آن عاری از آلودگی و ناخالصی باشد و ناصافی آن به حداقل ممکن خود برسد تا اتصال در سطح مشترک به خوبی صورت گیرد. در مورد ساختار نیز، نظم اتمی لایه و زیرلایه می‌تواند نقش مهمی در ویژگی‌های لایه نازک داشته باشد. همچنین خواص شیمیایی به دلیل ایجاد واکنش شیمیایی که ممکن است بین اتم‌های لایه و زیرلایه صورت بگیرد، بایستی به دقت مورد بررسی قرار گیرد. در حیطه خواص حرارتی، نزدیکی ضریب انبساط حرارتی لایه و زیرلایه موضوع حائز اهمیتی است تا لایه ایجاد شده بر روی زیرلایه چروکیده یا پاره نشود. همچنین در برابر شوک‌های حرارتی بایستی مقاوم باشند و در مورد خاصیت مکانیکی، لایه و زیرلایه بایستی از استقامت مکانیکی خوبی برخوردار باشند [۳].

۶- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

پوشش‌ها براساس ضخامت آنها در سه گروه، زیر ۵۰ آنگستروم، بالای ۵۰۰۰ آنگستروم و بین این دو مقدار دسته‌بندی می‌شوند که لایه‌های نازک را در ضخامت بین ۵۰ و ۵۰۰۰ آنگستروم قرار می‌دهند. تولید این لایه‌ها از حدود ۳۰۰ سال پیش آغاز شده است اما طی چند سال اخیر با پیشرفت فناوری نانو، شمار زیادی از تحقیقات را به خود اختصاص داده است. اهمیت لایه‌های نازک علاوه بر خواص پوششی آنها، شامل خواص الکتریکی، نوری و... نیز می‌باشد که از دو ویژگی اساسی لایه‌های نازک که همان نازک بودن و بزرگی فوق العاده نسبت سطح به حجم است، حاصل می‌گردد و باعث پیشرفت در صنایع میکروالکترونیک، فروالکترونیک، اپتیک و ... گشته است. خواص فیزیکی لایه‌های نازک عموماً متفاوت از توده ماده است و با توجه به شرایط لایه‌نشانی و ساختار لایه تشکیل شده، می تواند تغییر کند. سرعت لایه‌نشانی، دمای زیرلایه، نوع خلاء، ساختار زیرلایه و تطابق آن با لایه از جمله عوامل تاثیر‌گذار بر کیفیت لایه نازک می‌باشند. اتم‌ها در فاز بخار، در صورت نفوذ در مکان‌های خاصی روی سطح ماده، کندانس شده و موجب رشد لایه می‌گردد که براساس همین مکان‌های خاص سطحی و میزان نیروی پیوند بین اتم‌های لایه و زیرلایه، فرایند رشد لایه نازک تعیین می‌شود.

برای مطالعه مطالب علمی بیشتر به صفحه مقالات آموزشی سایت باشگاه نانو مراجعه نمایید.

۷- منابع

[1]. K. N. Chopra & A. K. Maini, "Thin Film and Their Applications in Military and Civil Sectors" Defence Research and Development Organization, 2010.

[2]. http://www.offthegrid.com/offthegridliving/wpcontent/uploads/2008/11/sharp_solar_thin_film.jpg

[3]. ع. رازقی زاده، "فیزیک لایه‌های نازک "، دانشگاه پیام نور:تهران، ۱۳۸۸.

[4]. Y.R. Reddy,“An Introduction to Thin Films”,2010.

[5]. A. Wagendristel & Y. Wang, “An Introduction of Physics and Technology of Thin Films”, 1994.

[6]. R. W. Berry, P. M. Hall & M.T. Harris “Thin film Technology”, Van Nostrand Company, 1968.

[7]. M. Ohring, “Yhe Materials Science of thin Films”, Academic press. 1992.

[8]. Thin film processes: Elsevier Publishing, 1991.