Мы особо не задумываемся о том, как нанесение тонкого слоя одного материала на другой может изменить свойства последнего. Но именно тонкие покрытия различных веществ и технологии их нанесения за считаные десятилетия изменили нашу жизнь до неузнаваемости. То, что было большим, стало очень маленьким: если раньше по огромному телефону можно было только звонить, теперь мы можем слушать музыку, фотографировать себя и все остальное, и это устройство помещается у нас в руке. Как это стало возможным и почему тонкие покрытия играют большую роль в нашей жизни, объясняет Дмитрий Кузьмичев, сотрудник лаборатории функциональных материалов и устройств для наноэлектроники МФТИ.

Дмитрий Кузьмичев

Дмитрий Кузьмичев

Вероятно, вы слышали слово «нанометр» и знаете, что он в миллиард раз меньше метра. Лучше понять, насколько мала эта величина, помогут муравьи. Длина муравья — несколько миллиметров; если умножить это число на миллиард, то получится расстояние в несколько тысяч километров. От Москвы до Самары, например, 1 100 километров. Так вот передовые технологии позволяют осаждать, то есть наносить на поверхности пленки толщиной несколько нанометров. Одна из таких технологий — атомно-слоевое осаждение (Atomic layer deposition, ALD). Чтобы лучше в ней разобраться, рассмотрим другие подходы.

В нанесении покрытий можно выделить два класса: физическое и химическое осаждение. В физическом осаждении частицы одного готового вещества переносятся различными способами на другое. Так мы поступаем с маслом, намазывая его на хлеб. В случае нанопокрытий «ножи» имеют более сложные принципы работы. Например, некоторые вещества можно очень сильно нагреть, из-за чего их частички начнут разлетаться в разные стороны и оседать на нужной поверхности. Именно это происходит с нитью накала в лампах. Если внимательно присмотреться, на стекле старой лампы можно заметить налет из материала нити, чаще всего это вольфрам. Другой подход можно назвать «артиллерийским». Наверняка вы видели кадры, на которых боевой снаряд, врезаясь в землю, поднимает в воздух куски почвы. Аналогичным приемом пользуются ученые, чтобы нанести нанопокрытие, только в качестве «снарядов» используются ионы газа, разогнанные в электрическом и магнитном полях. Попадая в мишень, ионы выбивают из нее частички, которые осаждаются на подложку и формируют на ней покрытие.

© iStock

© iStock

Отличие химического осаждения в том, что наносимый материал надо приготовить: то есть изначально материала, который вы хотите нанести, нет, но он создается с помощью химических реакций. Чем-то это похоже на смешивание красок для рисунка. Имея два цвета, например желтый и красный, можно смешать их в разных пропорциях и таким образом получить разные оттенки оранжевого. Аналогично действуют в химическом осаждении: если на подложке хотят получить вещество А, то в реакционную камеру напускают вещества В и С, химическая реакция между которыми ведет к возникновению вещества А. Тщательно подбирая В и С, можно создать А с разными «оттенками», а если по-научному — с разными физическими и химическими свойствами. Фактически, немного изменив параметры и условия роста пленки, например температуру, можно получить новый материал.

Атомно-слоевое осаждение, о котором мы начинали говорить, — как раз один из типов химического осаждения. Ключевой идеей является то, что реакция между веществами идет на поверхности подложки. Вернемся к аналогии с красками: можно смешать два цвета в отдельной баночке, а можно сначала нанести на холст один цвет — и сразу же другой. Именно на второй вариант похоже атомно-слоевое осаждение. В нем вещества наносятся по очереди, слой за слоем. В чем плюсы такого подхода?

Первый — толщина покрытия, которая может контролироваться с очень высокой точностью, до долей нанометра, хотя за это приходится платить долгими временными затратами на рост пленки. Например, на рост 20 нм пленки можно потратить несколько часов.

Второй плюс — высокая однородность. В связи с разгаром чемпионата Европы по футболу представьте, что вы нашли способ высыпать слой песка толщиной 1 см на прямоугольник из тысячи футбольных полей (длина поля — приблизительно 100 метров). При такой внушительной площади разница в толщине по всей поверхности будет составлять не более 0,5 мм!

Третий плюс — это результат первых двух, возможность наносить тонкие пленки на структуры с неровным рельефом. Даже если на футбольном поле выкопают карьер, песок в нем распределится с той же точностью.

В каких областях применяют атомно-слоевое осаждение? Например, как вы уже поняли из примера с современными телефонами, в микро- и наноэлектронике. В погоне за лучшими характеристиками электронных устройств производители вынуждены постоянно усложнять рельефы их внутренних элементов, так что привычные методы осаждения уже не позволяют равномерно наносить функциональные слои. С такой задачей легко справляется атомно-слоевое осаждение. Возможно, вы замечали, что стали чаще ставить на зарядку уже послуживший какое-то время телефон. Это происходит из-за того, что в ходе длительного использования характеристики аккумуляторов ухудшаются. Чем-то это напоминает деревянный пол: если его не обработать лаком, он быстрее придет в негодность. Так вот исследования показали, что аккумулятор тоже может прожить дольше, если покрыть его электроды очень тонкой защитной пленкой.

Медицинское направление тоже не обделено. Во время серьезных операций для правильного срастания в кость вставляются импланты. При этом необходимо время, чтобы костная ткань наросла на чужеродное тело. В этот период пациент испытывает боль и дискомфорт, и, чтобы снизить этот эффект, можно нанести тонкую пленку оксида на имплант. Благодаря этому покрытию кость быстрее нарастет, что позволит организму быстрее восстановиться, а также снизить риск послеоперационных осложнений.

Другой пример сферы применения ALD — энергетика. Активно развиваются альтернативные источники энергии, один из которых — солнечная энергетика. Ключевым параметром, за который сражаются экспериментаторы, является эффективность солнечной батареи, то есть успешность преобразования энергии света в электричество. Так как многие процессы по преобразованию света в ток идут в тонких слоях, неудивительно, что солнечная энергетика стала еще одним клиентом атомно-слоевого осаждения. Исследования показали, что несколько нанометров оксида алюминия, нанесенного в качестве одного из функциональных слоев, помогут заметно увеличить эффективность батареи. И это еще один шаг в эру энергетики будущего.

Не пропустите лекцию Дмитрия: