Atomic Layer Deposition (ALD) brugt til at skabe ultramørk belægning, perfekt til at betragte kosmos

Forskere fra University of Shanghai for Science and Technology og Chinese Academy of Sciences opnåede et stort gennembrud efter succesfuldt at have anvendt en ny metode til Atomic Layer Deposition (ALD) for at påføre en ultramørk belægning på en ujævn overflade. Den opgraderede belægning er mere robust og effektiv end sine forgængere. Som sådan kan udviklingen have store konsekvenser for flere industrier, herunder optik, rumforskning, vedvarende energi og meget mere. Her er, hvad du behøver at vide.

Forskerne har offentliggjort deres resultater og forklaret i detaljer, hvordan de skabte en holdbar ultramørk tyndfilm-belægning, der er specielt designet til magnesiumlegeringer af rumfartsstandard. Disse legeringer anvendes ofte i rumforskning, hvor vægt og holdbarhed er store bekymringer.

Kilde – Photonexpert – Atomic Layer Deposition (ALD) Opfinder Dr. Tuomo Suntola

Dem, der ikke er bekendt med processen, der bruges til at skabe high‑tech‑enheder og optik, forstår måske ikke den vitale betydning af at finde et ikke‑reflekterende sort materiale. Især kan spildlys forårsage forstyrrelser i disse enheder og markant reducere kvaliteten. Som følge heraf har der været en konstant udvikling i jagten på det sorteste ikke‑reflekterende materiale.

Disse belægninger vil hjælpe med at fremme rumfartsteknologier, hvor nye materialekombinationer kan skabe stærkere materialer. Disse letvægtsmaterialer findes på mange satellitter, rumfartøjer og dragter. De anvendes også ofte i luftfartssektoren på grund af deres robusthed og dokumenterede holdbarhed.

På jagt efter den sorteste sort

Efterhånden som præcisionsoptik fortsætter med at udvikle sig, vokser efterspørgslen efter mere lysabsorberende materialer. Indtil for nylig blev en tynd sort film brugt til at skabe et lysabsorberende, ikke‑reflekterende materiale i kamerobjektiver og andre krumme eller mærkeligt formede enheder. ALD‑belægning giver en bedre løsning, som kan påføres lettere og er modstandsdygtig over for ekstreme forhold. Processen skaber supertynde og ensartede lag, der efterlader ingen områder urørt.

Problemer med de nuværende belægningsmaterialer og -metoder

Der er mange grunde til, at eksisterende ultramørke belægningsmetoder er utilstrækkelige for nutidens avancerede optiske og elektroniske enheder. De mest populære belægningsmetoder i dag baserer sig på belægninger, der bruger skrøbelige materialer, herunder vertikalt justerede kulstofnanorør eller sort silicium. Disse materialer kan ikke modstå hårde miljøer uden hurtigt at nedbrydes. De er også dyre og svære at fremstille.

Derudover er det svært at påføre disse belægninger på komplekse strukturer. Da ujævn påføring resulterer i mindre holdbarhed og reduceret ydeevne, har flere forskere dedikeret deres indsats til at skabe mere absorberende alternativer. Efterhånden som linser og andre optiske enheder bliver mere komplekse, bliver det kritisk at forske i og udvikle bedre metoder til ensartet påføring af ikke‑reflekterende lysabsorberende materiale.

Mød Atomic Layer Deposition (ALD)

Atomic Layer Deposition (ALD) hjælper med at løse mange af de vigtigste problemer, som producenter og forskere står over for i forhold til belægninger. Processen bygger på vakuumforseglede rum, hvor gas pumpes ind og efterlader et tyndt lag på overfladen. Denne metode kaldes filmvækst og giver producenter en nem måde at fremstille komplekse materialer ved hjælp af lag.

ALD‑metoden leverede imponerende resultater med en test, der viste, at 99,3 % af lyset blev absorberet af dette ultramørke materiale. Disse forbedringer skyldes den mere ensartede filmdækning og brugen af nye lysabsorberende materialer. Specifikt introducerer forskerne en ny metode, der bruger to lag for at forbedre holdbarheden.

Grundlaget bruger en titanium‑aluminium‑kulstof‑komposit (TiAlC). Denne sammensætning har ultralette absorberende egenskaber og kan holde til tung brug i hårde miljøer, herunder i rummet. Det andet lag bruger et dielektrisk materiale, siliciumnitrid (SiO2), som er ideelt til at forhindre refleksioner. Sammen kan disse lag absorbere 99,3 % af lyset over et spektrum af bølgelængder.

Historien om ALD

Ideen om at bruge ALD til at påføre tynde belægninger har eksisteret i over 60 år. Interessant nok hævdede to opfindere at have opdaget teknologien. Disse uafhængige forsøg gik til værks på forskellige måder, men opnåede de samme resultater: et atomtyndt lag af belægning.

I 1960’erne gennemførte sovjetiske forskere denne opgave ved hjælp af en proces kaldet molekylær lagdeling. Opdagelsen blev ikke straks anerkendt i Vesten, da det politiske klima var spændt efter Anden Verdenskrigs afslutning. Dog indså mange forskere tidligt, at denne teknologi ville blive afgørende for næste generations enheder.

Et årti senere brugte et finsk forskningsteam ledet af Dr. Tuomo Suntola med succes en ny metode kaldet atomic layer epitaxy til at levere tynde, ensartede lag af lysabsorberende materiale til enheder. Metoden blev en øjeblikkelig succes hos producenterne, hvilket gjorde Finland til et centrum for ALD‑udvikling i årtier.

Derfra fortsatte ALD‑videnskaben med at udvide sig med gennembrud inden for fotovoltaik, katalyse, fremstilling af halvledere og mere. I dag lever du i en verden omgivet af denne teknologi. Fra din smartphone til dine solpaneler, der forsyner dit hjem, har ALD‑processer forbedret livet for milliarder.

Imponerende har de nyeste processer udviklet sig til at kunne aflejre ensartede og konforme film på komplekse, 3D‑objekter med atompræcision. ALD tilbyder en ultratynd belægning, der kan være så tynd som én atomtykkelse. Bemærkelsesværdigt er belægningen så tynd, at den kan betragtes som 2D.

ALD‑anvendelser

I dag er ALD‑produktionsprocesser en afgørende komponent på markedet. Disse tynde lag giver en stærk og effektiv måde at beskytte genstande mod uønskede energikilder. Her er nogle af de mest spændende måder, hvorpå ALD kan forbedre dit liv i fremtiden.

Solceller

Forskere har gjort betydelige fremskridt inden for fotovoltaik takket være brugen af ALD‑teknologi til at afprøve nye materialer og strukturer. Nutidens solpaneler er ineffektive, hvor selv den bedste kun giver omkring 30 % energikonvertering i gennemsnit. En stor del af denne energi går tabt som varme og reflekteres fra cellernes overflade ud i atmosfæren.

ALD‑solpaneler kunne indfange mere lys og forhindre lækager. Derudover kunne de konstrueres til at modstå de hårdeste miljøer, herunder dem på andre planeter, hvor de ville skulle drive rumforskningens udstyr i årevis. Derfor tror mange, at ALD‑solceller vil være den kraft, der driver den næste månelander og andre rumprojekter.

Lithium‑batterier

Lithium‑ion‑batteriteknologi (LIB) leverer høj energitæthed og lav selvafladning. Disse batterier er afhængige af kemiske reaktioner mellem elektrolytten og anoden. Desværre forbruger de nuværende faste elektrolyt‑grænseflader (SEI) en procentdel af ionerne permanent, hvilket gør dem spildfulde.

Ved at bruge ALD til at belægge elektronstrukturer kan man hjælpe med at forhindre tab i ydeevne og reducere nedbrydning over tid. ALD‑processer kan udføre disse opgaver, fordi de både er tynde og kan påføres jævnt uden huller i overfladen på atomniveau. Denne belægning forhindrer uønsket krydskontaminering på atomniveau.

Mikrochips

Mikrochip‑teknologi fortsætter med at revolutionere verden ved at gøre mere avanceret elektronik mindre og mere pålidelig. Den nuværende mikrochip er lysår foran sin forgænger, men mangler stadig på mange områder. For det første er den meget energikrævende, hvilket betyder, at alle dine smarte enheder samlet set bruger en stor mængde energi.

I erkendelse af vigtigheden af energibæredygtighed tildelte det amerikanske energiministerium (DOE) Argonne National Laboratory $4 millioner til at finansiere deres næste‑generations ALD‑chip‑forskning. Projektets mål er at finde nye materialer, der kan reducere mikrochip‑energi­behovet op til 50‑fold. Hvis det lykkes, kan hele markedet drage fordel.

En del af tilgangen søger at løse “von Neumann‑flaskehalsen“, et udtryk der refererer til den enorme mængde energi, som computere bruger på blot at flytte data mellem logik‑ og hukommelseschips. Argonne vil bruge ALD til at skabe lav‑energi‑alternativer for at bekæmpe overdreven energiforbrug, før det er for sent.

Rum

Rumforskning er en af de sektorer, hvor ALD har spillet en betydelig rolle i det sidste årti. Rumforskning kræver enheder, der kan håndtere ekstreme miljøer, som ikke findes på Jorden. En satellit kan skulle modstå temperaturer på +500 °F på den ene side, mens den anden side af enheden fryser ved under nul grader.

Disse ekstreme temperaturer og forhold kan forårsage kaos i optiske enheder og elektronik. ALD giver den bedste løsning på disse problemer. Derudover fortsætter forskerne med at udvide dets lysabsorberende egenskaber. Nutidens rumoptik er afhængig af materialer, der også kan absorbere ultraviolet og infrarødt lys for at skabe et lys‑sterilt miljø.

ALD‑markedets ledere

ALD‑markedet fortsætter med at vokse for at imødekomme den stigende efterspørgsel fra elektronikproducenter og forskere. Disse ALD‑leverandører har sikret stærke strategiske partnerskaber og har vist sig at levere pålidelige tjenester. Her er blot nogle af de førende ALD‑leverandører, der driver innovation i dag.

1. Argonne

ANL Prisdiagram

Argonne er et populært forskningscenter, der samarbejder med high‑tech‑producenter, regeringer og andre forskere for at skabe avancerede belægningsmuligheder. Firmaet opstod i 1940’erne som en afløber af Manhattan‑projektet. Dengang blev atomenergi set som fremtiden.

Siden da er Argonne blevet et tværfagligt videnskabs‑ og ingeniørforskningscenter, men fokuserer stadig primært på energibæredygtighed. Gruppen udnytter sin placering i det centrale Chicago til at få adgang til en række industrier og fremme kreativitet inden for energifysik og materialvidenskab.

2. Beneq

(Private)

I 1984 blev Beneq verdens første industrielle produktionslinje, der integrerede ALD‑metoder i sine processer. Denne private, finske virksomhed har været en pioner på markedet siden ALD blev opfundet. I dag leverer den avanceret ALD‑udstyr til virksomheder og specialiserer sig i fremstillingsprocesser for halvledere.

Beneq forbliver en banebrydende kraft inden for ALD‑sektoren og er blevet anerkendt som et af de mest etablerede navne på denne liste. Gruppen fortsætter med at tilbyde nye og innovative belægningsløsninger. Derfor betragter mange den som en markedsleder.

3. CVD Equipment

CVV Prisdiagram

CVD Equipment (CVV ) er en anden velrenommeret ALD‑leverandør. Gruppen har opnået et ry for at levere præcist og pålideligt udstyr til kemisk dampaflejring og termiske processer til markedet. I dag betjener CVD flere industrier, herunder bil- og rumfartssektoren.

CVD har leveret tjenester i over 40 år. Denne erfaring har gjort det muligt for virksomheden at positionere sig som en banebrydende kraft på markedet. Den har også gjort det muligt for firmaet at forbedre og optimere sine processer for at maksimere ydeevnen.

4. Applied Materials

AMAT Prisdiagram

Applied Materials (AMAT ) blev en stor aktør på ALD‑markedet efter at have erhvervet Picosun i 2020. På det tidspunkt var Picosun en af de mest aktive ALD‑leverandører i branchen. Applied Materials udnyttede deres erfaring og netværk til at innovere nye metoder og strategier for påføring af ultratynde lag.

I dag tilbyder Applied Materials ALD‑tjenester til virksomhedsniveau‑kunder. Disse tjenester omfatter turnkey‑produktionslinjer og forskningsmuligheder. Derudover kan virksomheder udnytte Applied Materials‑konsultation for at hjælpe med at strømline oprettelsen og integrationen af ALD‑tjenester.

Kunstig intelligens forbedrer ALD

En af grundene til, at ALD har forbedret sig i de sidste år, er integrationen af AI‑algoritmer. Specifikt gør maskinlæringsalgoritmer det muligt for udviklere at skabe og afprøve nye forbindelser virtuelt. Denne evne sænker markant forsknings‑ og udviklingsomkostningerne og gør det muligt for udviklere at se, hvordan visse materialer interagerer uden at skulle bruge specielle maskiner til opgaven.

Maskinlæringsalgoritmer kan køre millioner af forsøg for at finde potentielle svagheder eller grænser. Denne form for AI er meget effektiv og kræver kun at blive trænet én gang for at udføre opgaver optimalt. Derudover kan lærende neurale netværk få AI til at anbefale nye materialer og selv udføre test og udvikling.

AI‑simulation er en game‑changer af mange grunde. For det første gør disse tests det muligt at afprøve deres kreationer til det absolutte maksimum uden at beskadige genstande i den virkelige verden. Udviklere kan skabe, teste og justere alt virtuelt, før de overhovedet investerer i fremstillingsmetoder. På denne måde kan AI være nøglen til at låse op for nye niveauer af robusthed og anvendelsesmetoder i fremtiden.

ALD‑markedets udvidelse

ALD‑markedet er i vækst, med rapporter der viser, at der i 2023 blev genereret +4,46 mia. USD i omsætning fra salg af ALD‑udstyr. De samme data fremhæver et betydeligt vækstpotentiale i fremtiden, med en forventet årlig vækstrate (CAGR) på 8,90 % i løbet af det næste årti kun i det amerikanske marked.

Rapporten viser også, at den øgede efterspørgsel skyldes den fortsatte miniaturisering af elektroniske enheder og forbedrede fremstillingsprocesser. Nyere processer forbedrer kvaliteten og reducerer anvendelsesomkostningerne. Den samme rapport viser også, hvordan den stigende efterspørgsel efter solpaneler er en yderligere katalysator for ALD‑udvidelse.

Den kan altid blive endnu sortere

Videnskaben om at skabe det sorteste materiale vil fortsætte med at udvikle sig og drive innovation på tværs af de videnskabelige sektorer. Fra avancerede optiske enheder til rumforskning og indfangning af solstråler er ALD‑teknologier i frontlinjen af innovation. Af disse grunde er det klogt at holde øje med disse virksomheder i de kommende måneder.

Du kan lære mere om spændende blockchain‑projekter her.