In zekere zin, zegt MIT-professor scheikundige technologie Karen Gleason, je kunt de technologie van chemische dampafzetting traceren, of CVD, helemaal terug naar de prehistorie:"Toen de holbewoners een lamp aanstaken en roet werd afgezet op de muur van een grot, " ze zegt, dat was een rudimentaire vorm van HVZ.

Vandaag, CVD is een basisproductiemiddel - dat in alles wordt gebruikt, van zonnebrillen tot chipszakken - en is van fundamenteel belang voor de productie van veel van de hedendaagse elektronica. Het is ook een techniek die voortdurend wordt verfijnd en uitgebreid, materiaalonderzoek in nieuwe richtingen duwen, zoals de productie van grootschalige vellen grafeen, of de ontwikkeling van zonnecellen die op een vel papier of plastic zouden kunnen worden 'geprint'.

Op dat laatste gebied, Gleason, die ook dienst doet als MIT's geassocieerde provoost, is een pionier geweest. Ze ontwikkelde wat van oudsher een proces op hoge temperatuur was dat werd gebruikt om metalen onder industriële omstandigheden af ​​te zetten in een proces bij lage temperatuur dat kon worden gebruikt voor meer delicate materialen. zoals organische polymeren. Die ontwikkeling, een verfijning van een methode die in de jaren vijftig door Union Carbide werd uitgevonden om beschermende polymeercoatings te produceren, is wat ingeschakeld, bijvoorbeeld, de printbare zonnecellen die Gleason en anderen hebben ontwikkeld.

Deze dampafzetting van polymeren heeft de deur geopend voor een verscheidenheid aan materialen die moeilijk, en in sommige gevallen onmogelijk, op een andere manier te produceren. Bijvoorbeeld, veel bruikbare polymeren, zoals waterafstotende materialen om industriële componenten of biologische implantaten te beschermen, zijn gemaakt van voorlopers die niet oplosbaar zijn, en kon dus niet worden geproduceerd met behulp van conventionele, op oplossingen gebaseerde methoden. In aanvulling, zegt Gleason, de Alexander en I. Michael Kasser Professor aan het MIT, het CVD-proces zelf veroorzaakt chemische reacties tussen coatings en substraten die het materiaal sterk aan het oppervlak kunnen hechten.

Gleason's werk aan op polymeren gebaseerde CVD begon in de jaren '90, toen ze experimenten deed met teflon, een verbinding van chloor en fluor. Dat werk leidde tot een nu ontluikend veld dat gedetailleerd wordt beschreven in een nieuw boek dat Gleason heeft uitgegeven, getiteld "CVD Polymers:Fabrication of Organic Surfaces and Devices" (Wiley, 2015).

Destijds, de gedachte was dat de enige manier om CVD te laten werken met polymeermaterialen was door plasma - een elektrisch geladen gas - te gebruiken om de reactie te starten. Gleason probeerde experimenten uit te voeren om dit te bewijzen, te beginnen met het uitvoeren van een controle-experiment zonder het plasma om aan te tonen hoe belangrijk het was om het proces te laten werken. In plaats daarvan, haar controle-experiment werkte prima zonder plasma, waaruit blijkt dat deze stap voor veel polymeren niet nodig was.

Maar met de apparatuur die Gleason gebruikte, kon de temperatuur van het gas afzonderlijk van die van het substraat worden geregeld; het hebben van de substraatkoeler bleek de sleutel te zijn. Ze demonstreerde vervolgens het plasmavrije proces met meer dan 70 verschillende polymeren, een heel nieuw onderzoeksgebied ontsluiten.

Het proces kan veel finetuning vergen, maar is in wezen een eenvoudige reeks stappen:het te coaten materiaal wordt in een vacuümkamer geplaatst, wat de maximale grootte bepaalt van objecten die kunnen worden gecoat. Vervolgens, het coatingmateriaal wordt verwarmd, of de druk eromheen wordt verlaagd totdat het materiaal verdampt, ofwel in de vacuümkamer of in een aangrenzend gebied van waaruit de damp kan worden ingebracht. Daar, het gesuspendeerde materiaal begint te bezinken op het substraatmateriaal en vormt een uniforme coating. Het aanpassen van de temperatuur en de duur van het proces maakt het mogelijk om de dikte van de coating te regelen.

Met metalen of metaalverbindingen, zoals die worden gebruikt in de halfgeleiderindustrie, of de zilverachtige coatings in snackzakken, de verwarmde metaaldamp zet zich af op een koeler substraat. In het polymeerproces wordt het is een beetje ingewikkelder:twee of meer verschillende voorloperverbindingen, monomeren genoemd, worden in de kamer gebracht, waar ze reageren om polymeren te vormen terwijl ze zich op het oppervlak afzetten.

Zelfs CVD-verwerking bij hoge temperaturen is geëvolueerd, met een groot potentieel voor commerciële toepassingen. Bijvoorbeeld, de onderzoeksgroep van John Hart, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde, heeft een roll-to-roll verwerkingssysteem gebouwd met behulp van CVD om vellen grafeen te maken, een materiaal met mogelijke toepassingen, variërend van displays met groot scherm tot waterfiltratiesystemen. Hart's groep en anderen hebben CVD gebruikt om grote reeksen koolstofnanobuisjes te produceren, materialen met potentieel als nieuwe elektroden voor batterijen of brandstofcellen.

"Het is een zeer veelzijdig en veelgebruikt productieproces, "Hert zegt, "en een zeer algemeen proces dat kan worden aangepast aan veel verschillende toepassingen."

Een groot voordeel van CVD-verwerking is dat het zelfs over complexe vormen coatings van uniforme dikte kan creëren. Bijvoorbeeld, CVD kan worden gebruikt om koolstofnanobuisjes uniform te coaten - kleine cilinders van pure koolstof die veel slanker zijn dan een haar - om hun mechanische eigenschappen te wijzigen en ze chemisch te laten reageren op bepaalde stoffen.

"Door twee CVD-processen te combineren - één om de koolstofnanobuisjes te laten groeien, en een andere om de nanobuisjes te coaten - we hebben een schaalbare manier om nanomaterialen te vervaardigen met nieuwe eigenschappen, ' zegt Hart.

Veel vooruitgang in CVD-onderzoek in de afgelopen jaren gaat terug op de onverwachte ontdekking van Gleason, in de jaren 90, dat het proces zou kunnen werken zonder plasma - en haar vervolg op die bevinding. "Je moet opletten als er iets nieuws gebeurt, "zegt ze. "Dat is een beetje de sleutel."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.