薄膜は引き続き研究者の注目を集めています。この記事では、それらのアプリケーション、可変蒸着方法、および将来の用途に関する現在およびより詳細な研究を紹介します。
「フィルム」は、基板を覆うことを目的とするか、2 つの表面の間に挟むことを目的とするかに関係なく、基板よりもはるかに薄い二次元 (2D) 材料を表す相対的な用語です。現在の産業用途では、これらの薄膜の厚さは通常、サブナノメートル (nm) の原子寸法 (つまり、<1 nm) から数マイクロメートル (μm) の範囲にあります。単層グラフェンの厚さは炭素原子 1 個分 (つまり、約 0.335 nm) です。
フィルムは先史時代に装飾や絵画の目的で使用されていました。今日、高級品や宝飾品は、ブロンズ、シルバー、ゴールド、プラチナなどの貴金属の薄膜でコーティングされています。
フィルムの最も一般的な用途は、摩耗、衝撃、引っかき傷、浸食、磨耗から表面を物理的に保護することです。ダイヤモンド ライク カーボン (DLC) および MoSi2 層は、機械可動部品間の摩擦によって引き起こされる摩耗や高温腐食から自動車エンジンを保護するために使用されます。
薄膜は、湿気による酸化や水和などの環境から反応性表面を保護するためにも使用されます。シールド導電膜は、半導体デバイス、誘電体膜セパレータ、薄膜電極、電磁干渉 (EMI) の分野で多くの注目を集めています。特に、金属酸化物電界効果トランジスタ (MOSFET) には SiO2 などの化学的および熱的に安定した誘電体膜が含まれており、相補型金属酸化物半導体 (CMOS) には導電性の銅膜が含まれています。
薄膜電極により、スーパーキャパシタの体積に対するエネルギー密度の比率が数倍増加します。さらに、金属薄膜、および現在ではMXenes（遷移金属炭化物、窒化物、または炭窒化物）ペロブスカイトセラミック薄膜が、電子部品を電磁干渉からシールドするために広く使用されています。
PVD では、ターゲット材料が気化され、基板が入っている真空チャンバーに移されます。単に凝縮が原因で、蒸気が基板の表面に堆積し始めます。真空により、不純物の混合や、蒸気分子と残留ガス分子間の衝突が防止されます。
蒸気に導入される乱流、温度勾配、蒸気流量、ターゲット材料の潜熱は、膜の均一性と処理時間を決定する上で重要な役割を果たします。蒸着方法には、抵抗加熱、電子ビーム加熱、そして最近では分子線エピタキシーが含まれます。
従来の PVD の欠点は、融点が非常に高い材料を蒸発させることができないことと、蒸発と凝縮のプロセスにより堆積した材料に構造変化が引き起こされることです。マグネトロンスパッタリングは、これらの問題を解決する次世代の物理蒸着技術です。マグネトロン スパッタリングでは、ターゲット分子は、マグネトロンによって生成された磁場を通して高エネルギーの正イオンを衝突させることによって放出 (スパッタリング) されます。
薄膜は、その多用途性、コンパクトさ、機能的特性により、現代の電子、光学、機械、フォトニック、熱、磁気デバイス、さらには装飾品においても特別な位置を占めています。PVD および CVD は、数ナノメートルから数マイクロメートルの範囲の厚さの薄膜を製造するために最も一般的に使用される蒸着法です。
堆積膜の最終形態は、その性能と効率に影響を与えます。ただし、薄膜蒸着技術では、利用可能なプロセス入力、選択されたターゲット材料、および基板特性に基づいて薄膜特性を正確に予測するには、さらなる研究が必要です。
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投稿時刻: 2023 年 4 月 23 日