بحث مفصل عن طرق الحصول على فيلم رقيق-thin film-جاهز للطباعة
طرق الحصول على فيلم رقيق(thin film)
كثيرا ما نرى الأفلام الرقيقة في حياتنا اليومية، في تطبيقات شتى، بدون أن نعرف كيف وصلبت إلينا ، وما هي الطرق التي عملها للحصول عليها، وهنا في هذا الموضوع سأفتح نافذة صغيرة ضمن النوافذ التي تفتح على هذا الميدان الشاسع.
وساضع بصورة متفرقة بعض الطرق المستخدمة في الحصول على الأفلام الرقيقة وربما بعضا من تطبيقاتها (بعضها في الصورة الموالية).
تعريف الفلم الرقيق (thin film) :
هو طبقة من مادة توضع فوق مادة من نوع آخر تسمى بـ "الدعامة" أو substrat
الهدف من الطبقات الرقيقة (فلم رقيق) هو اعطاء مميزات خاصة لسطح الجسم ومن ثم الحصول على خواص نوعية للدعامة (بصفة عامة: خواص ميكانيكية) على سبيل المثال:
الناقلية الكهربائية : ملاحظة عينة باستعمال في SEM والذي هو نوع من المجاهر الإلكترونية أساسه التأثيرات المتابدلة لـ الإلكترون-المادة
في مجال البصريات:طلاء المرايا، في الخوذات المستعملة من رجال المطافئ لتقليل درجات الحرارة عليها، علاج العدسات المستعملة في النظارات حتى تصبح غير عاكسة للضوء وزجاج صلب(طبقات رقيقة بعد دراسة ميكانيكية وعادة ما يستعمل في ذلك البوليكاربنونات أو CR39 مع أن الثاني يُستعمل كثيرا، إلا أنني أفضل الأول كما يوجد أيضا PMMA الذي هو بوليمير ويستعمل أيضا في هذا الجانب)
هذه دراسة قد قمت بها سابقا بواسطة Micro Visio Scratch (جهاز لدراسة الإحتكاك والطوبولوجي للسطوح وقد تحدثت عنه قليلا في موضوع مقدمة في ميكانيكا البوليمير) وتوضح قليلا الفرق بين الفلم الرقيق لـ PMMA ، و CR39 عند تطبيق جهد عليهما بواسطة رأس الجهاز (9مم) :
والطريقة تتم (بشكل مبسط) مثلما هو موضح التخطيط التالي :
نعود للفرق :
PMMA
من أهم الإعتبارات التي تؤدي استعمال CR39 على PMMA هو معامل يونغ ، مع اعتبارات ميكانيكية متعلقة بلزوجة-مرونة المادة/، استخراج من عدة صور معدل نصف القطر ومن ثم معامل الإحتكاك/ مرونة المادة...إلخ، وحتى لا نتشعب كثيرا، إذا كان سؤال في هذا الجانب يمكن فتح موضوع خاص للحديث عن هذا الأمر
سمك الفلم الرقيق : يمكن أن يتغير من بعض الطبقات الذرية (النانومتر) حتى إلى بعض من الميكرومتر.
يعتمد هذا على الطريقة المستعملة ودراسة مسبقة لكفية التعامل مع المادة لتتوافق مع الطريقة المستعملة وما سأتحدث عنه لاحقا
مثال على ذلك :الخلايا الشمسية (طبقات رقيقة)
سرعة الوضع: سرعة وضع المادة على الدعامة مهمة جدا وتحدد خواص الفلم ، سمكه، تجانسه.
قبل دراسة سرعة الوضع، يجب القيام بدراسة دقيقى للزوجة المادة في وضعها السائل، في حالة كان لدينا مثلا نظام يسمى بـ "الكولو ويد" (سائل +جسيمات بداخلة) يجب دراسة الزوجة بالمقارانة مع عدد الجسيمات (particles) بداخله، المسافة بين كل جسيم وآخر ، ويتدخل ذلك عدة عوامل منها :
-في حالة صغر المسافة بين الجسيمات يؤدي إلى نقصان اللزوجة، كبرها، يعني زيادة اللزوجة (مع التأكيد على وجود جسيمات ذات حجم متماثل وهذا الأمر غير صالح إذا كانت ذات حجم غير متماثل).
- القوة الأيونية : زيادتها يعني نقصان الفراغات بين الجسيمات وبالتالي نقصان اللزوجة
- كمون زيطا : علاقة بما سبق إضافة إلى أن نقصان حجم الجسيمات، يؤدي إلى زيادة اللزوجة.
ويمكن اللعب على هذه الأمور بعدة حيل (حيل علمية !!!) :
*انقاص حجم الجسيمات يؤدي إلى نقصان الفراغات، أي نقصان السطح الملامس للسائل وبالتالي نقصان اللزوجة.
* جعل شحنات على سطح الجسيمات يؤدي إلى تجاذبات، وبالتالي نقصان المسافة بين الجسيمات مما يؤدي إلى زيادة اللزوجة.
....إلخ
نعود إلى قضية سرعة الوضع، عادة تكون ما بين 10 إلى 100نانومتر/دقيقة
مدة الوضع: مدة الوضع تحدد سمك الفلم.
طرق الحصول على فلم رقيق:
طريقة فيزيائية :وضع بواسطة قذف المادة في الفراغ ( PVD)
طريقة كيميائية : وضع كيميائي للمادة في حالة غازية
طريقة تحليل محلول كهربائيا: (anodisation)ا
إضافة غلى طرق أخرى مثل spin-coating و droap coating حيث في الطريقة الأولى يُعتمد على دوران الدعامة، التسارع، ومدة الوضع (إذا كان لديكم أسئلة حوله، يمكن شرحه بدقة إن أردتم ذلك)
1- الطريقة الفيزيائية :
هذه الطريقة( PVD أي Physical Vapor Deposition) تسمح بصنع فيلم ذو سمك بمقدار الميكرومتر أو النانومتر، وتتم في وجود حالة غازية للمادة داخل الفراغ (من أجل العمل في ضغط منخفض و رفع درجة الحرارة) ثم تتكاثف على سطح الدعامة لنتحصل على فلم رقيق أو طبقات رقيقة، هناك عدة أمثلة على حسب المعطيات، وهذا مثال لذلك في الشكل التالي :
ملاحظة:
الطريقة رائعة، لكن ما يٌعاب عليها أن تستهلك كثيرا من الطاقة
2- الطريقة الكيميائية :
وتسعمل في عدة تطبيقات ومن أهمها أنصاف النواقل
وتوجد عدة طرق متفرعة لهذه الطريقة منها ما يتم :
-في درجة حرارة مرتفعة
- ما يتم في درجة حرارة منخفضة (استعمال البلازما) هذه الأخيرة تمكن من وضع أشكال معينة ومحددة غير ممكن وضعها بالطريقة السابقة.
مبدأ العمل (باستعمال البلازما):
ويتم هذا بالمبدأ المعروف، حيث يدخل الإلكترون في تصادم مع الذرة، بطاقة تكفي لنزع إلكترون (هذا المبدأ يستعمل في الميكروسكوب الذي تحدثنا عنه سابقا وهو SEM وإذا كان لديكم أسئلة حول هذا الأمر، يمكن فتح موضوع حوله)
طاقة التأين لذرة أو جزيئ هي الطاقة اللازمة إعطاؤها لذرة من أجل نزع إلكترون منها (بالنسبة لذرة الهيديروجين، نموذج بور سيكون تطبيقه سهلا بحساب الطاقة عند اللانهاية ناقص طاقة المستوى القاعدي E0) ووضع القيمة المطلقة للنتيجة المتحصل عليها)
وعندما يطبق الأمر على غاز (يكون أغلبه أو بعضه متأينا) سنكون في حالة بلازما(ذات حرارة منخفضة، أو ذان حرارة مرتفعة) ويحدث ذلك في غرفة تأين البلازما:
الدعامة توضع في درجة حرارة مرتفعة ، أما البلازما فدورها رفع حجم التفاعلات وبالتالي سيسمح لنا بالعمل في درجة حرارة منخفضة نوعا ما وبالتالي الحفاظ فقط على درجة حرارة الدعامة مرتفعة.
الإثنين 15 مايو - 11:57
