Un nuovo modo per depositare strati sottili di atomi come rivestimento su un materiale di substrato a temperatura quasi ambiente è stato inventato presso l'Università dell'Alabama a Huntsville (UAH), una parte del sistema dell'Università dell'Alabama.

Il dottor Moonhyung Jang, associato di ricerca post-dottorato della UAH, ha avuto l'idea di utilizzare una tecnologia di atomizzazione ad ultrasuoni per far evaporare le sostanze chimiche utilizzate nella deposizione di strati atomici (ALD) mentre si acquista un umidificatore domestico.

Il Dr. Jang lavora nel laboratorio del Dr. Yu Lei, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica. La coppia ha pubblicato un articolo sulla loro invenzione che è stato selezionato come editor's pick nel Journal of Vacuum Science &Technology A .

"ALD è una tecnica di deposizione di film sottile tridimensionale che svolge un ruolo importante nella produzione di microelettronica, nella produzione di articoli come unità centrali di elaborazione, memoria e dischi rigidi, " dice il dottor Lei.

Ogni ciclo ALD deposita uno strato profondo pochi atomi. Un processo ALD ripete il ciclo di deposizione centinaia o migliaia di volte. L'uniformità dei film sottili si basa su una reazione autolimitante superficiale tra il vapore precursore chimico e i substrati.

"ALD offre un controllo eccezionale delle caratteristiche nanometriche depositando i materiali in modo uniforme su grandi wafer di silicio per la produzione di volumi elevati, " Dice il dottor Lei. "Si tratta di una tecnica chiave per produrre dispositivi intelligenti potenti e piccoli".

Durante la navigazione online per un umidificatore domestico sicuro e facile da usare, Il Dr. Jang ha osservato che gli umidificatori sul mercato utilizzano il riscaldamento diretto ad alta temperatura o la vibrazione dell'atomizzatore a ultrasuoni a temperatura ambiente per generare la nebbia d'acqua.

"Moon si è improvvisamente reso conto che quest'ultimo potrebbe essere un modo semplice e sicuro per generare vapori per sostanze chimiche reattive che sono termicamente instabili, " dice il dottor Lei.

"Il giorno successivo, Moon è venuto a discutere l'idea e abbiamo progettato gli esperimenti per dimostrare il concetto nel nostro laboratorio di ricerca. L'intero processo è durato quasi un anno. Ma la grande idea è venuta a Moon come un lampo".

I processi ALD in genere si basano su molecole in fase gassosa riscaldate che vengono evaporate dalla loro forma solida o liquida, simile agli umidificatori per ambienti che utilizzano il calore per vaporizzare l'acqua. Eppure in quel processo ALD, alcuni precursori chimici non sono stabili e possono decomporsi prima di raggiungere una pressione di vapore sufficiente per l'ALD.

"Nel passato, molte sostanze chimiche reattive sono state considerate non adatte per l'ALD a causa della loro bassa tensione di vapore e perché sono termicamente instabili, " afferma il Dr. Lei. "La nostra ricerca ha scoperto che la tecnica dell'atomizzatore ad ultrasuoni ha consentito l'evaporazione delle sostanze chimiche reattive a partire dalla temperatura ambiente".

L'invenzione degli ultrasuoni degli scienziati dell'UAH consente di utilizzare un'ampia gamma di sostanze chimiche reattive che sono termicamente instabili e non adatte al riscaldamento diretto.

"Atomizzazione ad ultrasuoni, come sviluppato dal nostro gruppo di ricerca, fornisce precursori a bassa tensione di vapore perché l'evaporazione dei precursori è stata effettuata tramite vibrazione ultrasonica del modulo, " dice il dottor Lei.

"Come l'umidificatore domestico, l'atomizzazione ad ultrasuoni genera una nebbia composta da vapore saturo e goccioline di microdimensioni, " dice. "Le goccioline di dimensioni micro evaporano continuamente quando la nebbia viene consegnata ai substrati da un gas di trasporto".

Il processo utilizza un trasduttore ultrasonico piezoelettrico posto in un precursore chimico liquido. Una volta avviato, il trasduttore inizia a vibrare alcune centinaia di migliaia di volte al secondo e genera una nebbia del precursore chimico. Le piccole goccioline di liquido nella nebbia vengono rapidamente evaporate nel collettore del gas sotto vuoto e mite trattamento termico, lasciando dietro di sé uno strato uniforme del materiale di deposizione.

"Utilizzando l'atomizzazione ultrasonica a temperatura ambiente riportata dal nostro manoscritto, nuovi processi ALD potrebbero essere sviluppati utilizzando precursori a bassa volatilità e instabili, " Dice il Dr. Lei. "Aprirà una nuova finestra su molti processi ALD".

Nella loro carta, i ricercatori UAH dimostrano la prova del concetto confrontando l'ossido di titanio ALD utilizzando precursori chimici atomizzati a ultrasuoni a temperatura ambiente e evaporati termicamente, rispettivamente.

"Il TiO ₂ la qualità del film sottile è paragonabile, " dice il dottor Lei.