Een nieuwe manier om dunne lagen atomen als coating op een substraatmateriaal af te zetten bij bijna kamertemperatuur is uitgevonden aan de Universiteit van Alabama in Huntsville (UAH), een onderdeel van het University of Alabama-systeem.

UAH postdoctoraal onderzoeksmedewerker Dr. Moonhyung Jang kwam op het idee om een ​​ultrasone vernevelingstechnologie te gebruiken om chemicaliën te verdampen die worden gebruikt bij atomaire laagafzetting (ALD) tijdens het winkelen voor een huisbevochtiger.

Dr. Jang werkt in het laboratorium van Dr. Yu Lei, een universitair hoofddocent bij de afdeling Chemische Technologie. Het paar heeft een paper gepubliceerd over hun uitvinding die is geselecteerd als de keuze van een redacteur in de Journal of Vacuum Science &Technology A .

"ALD is een driedimensionale dunnefilmdepositietechniek die een belangrijke rol speelt bij de productie van micro-elektronica, bij het produceren van artikelen zoals centrale verwerkingseenheden, geheugen en harde schijven, " zegt dr. Lei.

Elke ALD-cyclus zet een laag af die enkele atomen diep is. Een ALD-proces herhaalt de depositiecyclus honderden of duizenden keren. De uniformiteit van de dunne films berust op een zelfbeperkende reactie van het oppervlak tussen de damp van de chemische voorloper en de substraten.

"ALD biedt uitzonderlijke controle over nanometerkenmerken terwijl materialen uniform worden afgezet op grote siliciumwafels voor productie in grote volumes, " zegt Dr. Lei. "Het is een sleuteltechniek om krachtige en kleine slimme apparaten te produceren."

Terwijl u online zoekt naar een veilige en gebruiksvriendelijke luchtbevochtiger voor thuis, Dr. Jang merkte op dat luchtbevochtigers op de markt ofwel directe verwarming bij hoge temperatuur ofwel ultrasone verstuivertrillingen bij kamertemperatuur gebruiken om de waternevel te genereren.

"Moon realiseerde zich plotseling dat de laatste een veilige en eenvoudige manier zou kunnen zijn om dampen te genereren voor reactieve chemicaliën die thermisch onstabiel zijn, " zegt dr. Lei.

"De volgende dag, Moon kwam om het idee te bespreken en we ontwierpen de experimenten om het concept in ons onderzoekslab te bewijzen. Het hele proces heeft bijna een jaar geduurd. Maar het geweldige idee kwam als een flits naar de maan."

ALD-processen zijn meestal afhankelijk van verwarmde gasfase-moleculen die worden verdampt uit hun vaste of vloeibare vorm, vergelijkbaar met kamerbevochtigers die warmte gebruiken om water te verdampen. Maar in dat ALD-proces, sommige chemische voorlopers zijn niet stabiel en kunnen ontleden voordat een voldoende dampdruk voor ALD wordt bereikt.

"Vroeger, veel reactieve chemicaliën werden niet geschikt geacht voor ALD vanwege hun lage dampdruk en omdat ze thermisch onstabiel zijn, " zegt Dr. Lei. "Ons onderzoek wees uit dat de ultrasone verstuivertechniek het mogelijk maakte om de reactieve chemicaliën bij zo laag als kamertemperatuur te verdampen."

De ultrasone uitvinding van de UAH-wetenschappers maakt het mogelijk om een ​​breed scala aan reactieve chemicaliën te gebruiken die thermisch onstabiel zijn en niet geschikt voor directe verwarming.

"Ultrasone verneveling, zoals ontwikkeld door onze onderzoeksgroep, levert voorlopers met lage dampdruk omdat de verdamping van voorlopers gebeurde door middel van ultrasoon trillen van de module, " zegt Dr. Lei.

"Net als de huishoudelijke luchtbevochtiger, ultrasone verneveling genereert een nevel bestaande uit verzadigde damp en microdruppels, " zegt hij. "De druppeltjes van microformaat verdampen continu wanneer de mist door een draaggas op de substraten wordt afgeleverd."

Het proces maakt gebruik van een piëzo-elektrische ultrasone transducer die in een vloeibare chemische precursor wordt geplaatst. Eenmaal begonnen, de transducer begint een paar honderdduizend keer per seconde te trillen en genereert een nevel van de chemische voorloper. De kleine vloeistofdruppeltjes in de mist worden snel verdampt in het gasspruitstuk onder vacuüm en milde warmtebehandeling, een gelijkmatige laag van het afzettingsmateriaal achterlatend.

"Met behulp van de ultrasone verneveling bij kamertemperatuur gerapporteerd door ons manuscript, nieuwe ALD-processen kunnen worden ontwikkeld met behulp van lage vluchtigheid en onstabiele precursoren, " zegt Dr. Lei. "Het zal een nieuw venster openen voor veel ALD-processen."

In hun krant de UAH-onderzoekers demonstreren proof-of-concept door titaniumoxide ALD te vergelijken met behulp van thermisch verdampte en op kamertemperatuur vernevelde chemische voorlopers, respectievelijk.

"De TiO ₂ dunne film kwaliteit is vergelijkbaar, " zegt dr. Lei.