Deposición de Capa Atómica (ALD) Utilizada para Crear un Recubrimiento Ultranegro Perfecto para Observar el Cosmos

Investigadores de la Universidad de Shanghai de Ciencia y Tecnología y de la Academia China de Ciencias lograron un hito importante después de utilizar con éxito un nuevo método de Deposición de Capa Atómica (ALD) para aplicar un recubrimiento ultranegro a una superficie irregular. El recubrimiento mejorado es más resistente y eficaz que sus predecesores. Como tal, el desarrollo podría tener importantes implicaciones para múltiples industrias, incluidas la óptica, la exploración espacial, la energía renovable y mucho más. Esto es lo que necesitas saber.

Los investigadores han publicado sus hallazgos y explicado en detalle cómo crearon un recubrimiento de película delgada ultranegro y duradero, diseñado específicamente para aleaciones de magnesio de grado aeroespacial. Estas aleaciones se utilizan comúnmente en la exploración espacial, donde el peso y la durabilidad son preocupaciones principales.

Fuente – Photonexpert – Deposición de Capa Atómica (ALD) Inventor Dr. Tuomo Suntola

Quienes no están familiarizados con el proceso utilizado para crear dispositivos y ópticas de alta tecnología pueden no comprender la importancia vital de encontrar un material negro no reflectante. Notablemente, la luz difusa puede causar interrupciones en estos dispositivos y reducir significativamente la calidad. En consecuencia, ha habido una línea constante de mejoras en la búsqueda del material no reflectante más negro.

Estos recubrimientos ayudarán a avanzar las tecnologías aeroespaciales donde nuevas combinaciones de materiales pueden crear materiales más fuertes. Estos materiales ligeros se encuentran en muchos satélites, naves espaciales y trajes. También se utilizan comúnmente en el sector aeronáutico debido a su resistencia y durabilidad probada.

En Busca del Negro Más Negro

A medida que la óptica de precisión continúa avanzando, la demanda de materiales más absorbentes de luz se expande. Hasta hace poco, se utilizaba una película negra delgada para crear un material no reflectante que absorbía luz dentro de lentes de cámara y otros dispositivos curvos o de forma extraña. El recubrimiento ALD ofrece una mejor solución que puede aplicarse más fácilmente y es resistente a condiciones extremas. El proceso crea recubrimientos súper delgados y uniformes que no dejan áreas sin cubrir.

Problemas con los Materiales y Métodos de Recubrimiento Actuales

Hay muchas razones por las que las técnicas de recubrimiento ultranegro existentes son insuficientes para los dispositivos ópticos y electrónicos de alta gama de hoy. Las técnicas de recubrimiento más populares actualmente dependen de recubrimientos que utilizan materiales frágiles, incluidos nanotubos de carbono alineados verticalmente o silicio negro. Estos materiales no pueden soportar entornos duros sin degradarse rápidamente. Además, son costosos y difíciles de producir.

Además, es difícil aplicar estos recubrimientos a estructuras complicadas. Dado que una aplicación desigual resulta en menor durabilidad y rendimiento reducido, más investigadores han dedicado esfuerzos a crear alternativas más absorbentes. A medida que las lentes y otros dispositivos ópticos se vuelven más complejos, se vuelve crítico investigar y crear mejores formas de aplicar uniformemente material absorbente de luz no reflectante.

Introducción a la Deposición de Capa Atómica (ALD)

La Deposición de Capa Atómica (ALD) ayuda a resolver muchos de los principales problemas que enfrentan los fabricantes e investigadores respecto a los recubrimientos. El proceso depende de salas selladas al vacío donde se bombea gas y deja una capa delgada sobre la superficie. Este método se llama crecimiento de película y brinda a los fabricantes una forma sencilla de crear materiales complejos mediante capas.

El método ALD produjo resultados impresionantes en una prueba que mostró que el 99,3 % de la luz fue absorbida por este material ultranegro. Estas mejoras provienen de una cobertura de película más uniforme y del uso de nuevos materiales absorbentes de luz. Específicamente, los investigadores introducen un nuevo método que utiliza dos capas para mejorar la durabilidad.

La capa base utiliza un compuesto de titanio‑aluminio‑carbono (TiAlC). Esta composición tiene cualidades de absorción ultraligera y puede resistir un uso intensivo en entornos duros, incluido el espacio. La segunda capa utiliza un material dieléctrico, nitruro de silicio (SiO2), que es ideal para prevenir reflexiones. Juntas, estas capas pueden absorber el 99,3 % de la luz en un amplio rango de longitudes de onda.

Historia de la ALD

La idea de usar ALD para aplicar recubrimientos delgados existe desde hace más de 60 años. Curiosamente, dos inventores reclamaron el descubrimiento de la tecnología. Estos esfuerzos independientes abordaron el proceso de manera diferente pero obtuvieron los mismos resultados: una capa de recubrimiento atómicamente delgada.

En la década de 1960, investigadores soviéticos lograron esta tarea utilizando un proceso llamado estratificación molecular. El descubrimiento no fue reconocido de inmediato en Occidente, ya que el clima político era tenso tras el final de la Segunda Guerra Mundial. Sin embargo, muchos investigadores se dieron cuenta temprano de que esta tecnología sería fundamental para los dispositivos de próxima generación.

Una década después, un equipo de investigación finlandés liderado por el Dr. Tuomo Suntola utilizó con éxito un nuevo método llamado epitaxia de capa atómica para proporcionar recubrimientos delgados y uniformes de material absorbente de luz a los dispositivos. Este método fue un éxito inmediato entre los fabricantes, lo que llevó a Finlandia a convertirse en un centro de desarrollo de ALD durante décadas.

A partir de entonces, la ciencia de la ALD continuó expandiéndose con avances en fotovoltaica, catálisis, fabricación de semiconductores y más. Hoy, vives en un mundo rodeado por esta tecnología. Desde tu smartphone hasta los paneles solares que alimentan tu hogar, los procesos de ALD han mejorado la vida de miles de millones de personas.

Impresionantemente, los procesos más recientes se han desarrollado hasta el punto de poder depositar películas uniformes y conformes en objetos complejos en 3D con precisión atómica. La ALD ofrece un recubrimiento ultradelgado que puede llegar a ser tan fino como un solo átomo de espesor. Notablemente, el recubrimiento es tan delgado que puede considerarse 2D.

Usos de la ALD

Hoy, los procesos de fabricación de ALD son un componente crucial del mercado. Estas capas delgadas proporcionan una forma fuerte y eficaz de proteger los objetos de fuentes de energía no deseadas. A continuación, se presentan algunas de las formas más emocionantes en que la ALD podría mejorar tu vida en el futuro.

Células Solares

Los investigadores han logrado avances significativos en fotovoltaica gracias al uso de la tecnología ALD para probar nuevos materiales y estructuras. Los paneles solares actuales son ineficientes, con la mejor opción promediando solo un +30 % de conversión de energía. Gran parte de esta energía se pierde en forma de calor y se refleja desde la superficie de las celdas hacia la atmósfera.

Los paneles solares ALD podrían capturar más luz y prevenir fugas. Además, podrían fabricarse para resistir los entornos más duros, incluidos los de otros planetas donde se requerirían para operar dispositivos de exploración espacial durante años. Por ello, muchos creen que las células solares ALD serán lo que impulse el próximo rover lunar y otras misiones espaciales.

Baterías de Litio

La tecnología de baterías de ion de litio (LIB) ofrece alta densidad energética y baterías de bajo auto‑descarga. Estas baterías dependen de reacciones químicas que ocurren entre el electrolito y el ánodo. Lamentablemente, las interfaces de electrolito sólido (SEI) actuales consumen un porcentaje de los iones de forma permanente, lo que las hace ineficientes.

Utilizar ALD para recubrir capas electrónicas podría ayudar a prevenir pérdidas de rendimiento y reducir la degradación con el tiempo. Los procesos ALD pueden lograr estas tareas porque son delgados y pueden aplicarse de manera uniforme sin agujeros en la superficie a nivel atómico. Este recubrimiento evita la contaminación cruzada no deseada a nivel atómico.

Microchips

La tecnología de microchips continúa revolucionando el mundo al hacer que la electrónica más avanzada sea más pequeña y fiable. El microchip actual está a años luz de su predecesor, pero aún carece de muchos aspectos. Por un lado, consume mucha energía, lo que significa que todos tus dispositivos inteligentes suman un gran consumo energético.

Reconociendo la importancia de la sostenibilidad energética, el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) otorgó al Laboratorio Nacional Argonne $4 millones para financiar su investigación de chips de próxima generación con ALD. El objetivo del proyecto es encontrar nuevos materiales que puedan reducir los requisitos energéticos de los microchips hasta 50 veces. Si tiene éxito, todo el mercado podría beneficiarse.

Parte del enfoque busca resolver el “cuello de botella de von Neumann“, un término que se refiere a la enorme cantidad de energía que utilizan las computadoras al mover datos entre los chips de lógica y de memoria. Argonne utilizará ALD para crear alternativas de bajo consumo energético que ayuden a combatir el consumo excesivo antes de que sea demasiado tarde.

Espacio

La exploración espacial es uno de los sectores en los que la ALD ha jugado un papel significativo durante la última década. La investigación espacial requiere dispositivos que puedan soportar entornos adversos sin precedentes en la Tierra. Un satélite podría tener que resistir temperaturas de +500 °F en un lado, mientras que el otro lado del dispositivo está congelado a temperaturas bajo cero.

Estas temperaturas y condiciones extremas pueden causar estragos en los dispositivos ópticos y electrónicos. La ALD ofrece la mejor solución a estos problemas. Además, los investigadores continúan ampliando sus capacidades de absorción de luz. La óptica espacial actual depende de materiales que también pueden absorber luz ultravioleta e infrarroja para proporcionar un entorno estéril de luz.

Líderes del Mercado de ALD

El mercado de ALD continúa expandiéndose para satisfacer la creciente demanda de fabricantes electrónicos e investigadores. Estos proveedores de ALD han asegurado sólidas alianzas estratégicas y han demostrado ofrecer servicios fiables. Aquí tienes algunos de los principales proveedores de ALD que impulsan la innovación hoy.

1. Argonne

ANL Gráfico de precios

Argonne es un centro de investigación popular que colabora con fabricantes de alta tecnología, gobiernos y otros investigadores para crear opciones avanzadas de recubrimiento. La empresa se originó en la década de 1940 como una rama del Proyecto Manhattan. En aquel entonces, la energía atómica se consideraba el futuro.

Desde entonces, Argonne se ha convertido en un centro de investigación multidisciplinario de ciencia e ingeniería, pero sigue enfocándose principalmente en la sostenibilidad energética. El grupo aprovecha su ubicación en el centro de Chicago para acceder a una variedad de industrias y fomentar la creatividad en los mercados de física de la energía y ciencia de materiales.

2. Beneq

(Private)

En 1984, Beneq se convirtió en la primera línea de producción industrial del mundo en integrar métodos ALD en sus procesos. Esta empresa finlandesa de propiedad privada ha sido pionera en el mercado desde la creación de la ALD. Hoy, proporciona equipos ALD de alta gama a empresas y se especializa en procesos de fabricación de semiconductores.

Beneq sigue siendo una fuerza pionera en el sector ALD y ha sido reconocida como uno de los nombres más consolidados de esta lista. El grupo continúa ofreciendo soluciones de recubrimiento nuevas e innovadoras. Por ello, muchos la consideran un líder del mercado.

3. CVD Equipment

CVV Gráfico de precios

CVD Equipment (CVV ) es otro proveedor de ALD bien respetado. El grupo se ganó una reputación por proporcionar equipos de deposición química de vapor y procesos térmicos precisos y fiables al mercado. Hoy, CVD sirve a múltiples industrias, incluidos los sectores automotriz y aeroespacial.

CVD ha estado ofreciendo servicios durante más de 40 años. Esta experiencia ha permitido a la empresa posicionarse como una fuerza pionera en el mercado. También ha permitido a la compañía mejorar y optimizar sus procesos para maximizar el rendimiento.

4. Applied Materials

AMAT Gráfico de precios

Applied Materials (AMAT ) se convirtió en un actor importante en el mercado de ALD después de adquirir Picosun en 2020. En ese momento, Picosun era uno de los proveedores de ALD más activos de la industria. Applied Materials aprovechó su experiencia y red para innovar nuevos métodos y estrategias para aplicar capas ultradelgadas.

Hoy, Applied Materials ofrece servicios de ALD a clientes de nivel empresarial. Estos servicios incluyen líneas de producción llave en mano y ofertas de investigación. Además, las empresas pueden aprovechar la consultoría de Applied Materials para ayudar a optimizar la creación e integración de servicios de ALD.

La Inteligencia Artificial Mejora la ALD

Una de las razones por las que la ALD ha mejorado en los últimos años es la integración de algoritmos de IA. Específicamente, los algoritmos de aprendizaje automático permiten a los desarrolladores crear y probar nuevos compuestos de forma virtual. Esta capacidad reduce significativamente los costos de I+D y permite a los desarrolladores ver cómo interactúan ciertos materiales sin necesidad de máquinas especiales para lograrlo.

Los algoritmos de aprendizaje automático pueden ejecutar millones de pruebas para encontrar posibles puntos débiles o umbrales. Este estilo de IA es muy eficaz y solo requiere ser entrenado una vez para completar las tareas de manera óptima. Además, las redes neuronales de aprendizaje podrían permitir que la IA recomiende nuevos materiales y realice pruebas y desarrollo por sí misma.

La simulación de IA es un cambio de juego por muchas razones. Por un lado, estas pruebas hacen posible probar sus creaciones al límite absoluto sin dañar los objetos en el mundo real. Los desarrolladores pueden crear, probar y reajustar todo de forma virtual antes de destinar fondos a los métodos de fabricación. De esta manera, la IA podría ser la clave para desbloquear nuevos niveles de resistencia y métodos de aplicación en el futuro.

Expansión del Mercado de ALD

El mercado de ALD está en auge, con informes que muestran que se generaron más de 4,46 mil millones de dólares en ingresos por la venta de equipos de ALD en 2023. Los mismos datos resaltan un potencial de crecimiento significativo en el futuro, con una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 8,90 % prevista para la próxima década solo en el mercado de EE. UU.

El informe también muestra que el aumento de la demanda es el resultado de la continua miniaturización de los dispositivos electrónicos y la mejora de los procesos de fabricación. Los procesos más recientes mejoran la calidad y reducen los costos de aplicación. El mismo informe también indica cómo el mayor demandado de paneles solares es otro catalizador para la expansión de la ALD.

Siempre Puede Volverse Más Negro

La ciencia de crear el material más negro continuará evolucionando y impulsando la innovación en todos los sectores científicos. Desde dispositivos ópticos de alta gama hasta la exploración espacial y la captura de rayos solares, las tecnologías ALD están a la vanguardia de la innovación. Por estas razones, es inteligente mantener la atención en estas empresas en los próximos meses.

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