Dépôt de couches atomiques (ALD) utilisé pour créer un revêtement ultranoir parfait pour la visualisation de l’univers

Les chercheurs de l’Université de Shanghai pour la science et la technologie et de l’Académie chinoise des sciences ont atteint un jalon important après avoir réussi à utiliser une nouvelle méthode de dépôt de couches atomiques (ALD) pour appliquer un revêtement ultranoir à une surface irrégulière. Le revêtement amélioré est plus résistant et plus efficace que ses prédécesseurs. En conséquence, le développement pourrait avoir des implications majeures pour plusieurs industries, notamment l’optique, l’exploration spatiale, les énergies renouvelables et bien plus encore. Voici ce que vous devez savoir.

Les chercheurs ont publié leurs résultats et expliqué en détail comment ils ont créé un revêtement mince ultranoir durable conçu spécifiquement pour les alliages de magnésium de grade aérospatial. Ces alliages sont couramment utilisés dans l’exploration spatiale, où le poids et la durabilité sont des préoccupations majeures.

Source – Photonexpert – Atomic Layer Deposition (ALD) Inventor Dr. Tuomo Suntola

Ceux qui ne sont pas familiers avec le processus utilisé pour créer des dispositifs et des optiques de haute technologie peuvent ne pas comprendre l’importance vitale de trouver un matériau noir non réfléchissant. Notamment, la lumière parasite peut causer des perturbations dans ces dispositifs et réduire considérablement la qualité. Par conséquent, il y a eu une ligne constante d’améliorations dans la recherche du matériau noir le plus sombre.

Ces revêtements aideront à faire progresser les technologies aérospatiales où de nouvelles combinaisons de matériaux peuvent créer des matériaux plus solides. Ces matériaux légers sont trouvés sur de nombreux satellites, vaisseaux spatiaux et combinaisons. Ils sont également couramment utilisés dans le secteur aéronautique en raison de leur résistance et de leur durabilité éprouvée.

À la recherche du noir le plus sombre

À mesure que les optiques de précision continuent de s’améliorer, la demande de matériaux plus absorbants de lumière augmente. Jusqu’à récemment, un film noir mince était utilisé pour créer un matériau non réfléchissant absorbant de lumière à l’intérieur des objectifs de caméra et d’autres dispositifs de forme courbe ou inhabituelle. Le revêtement ALD offre une meilleure solution qui peut être appliquée plus facilement et résiste aux conditions extrêmes. Le processus crée des couches super minces et uniformes qui ne laissent aucune zone intacte.

Problèmes avec les matériaux et les méthodes de revêtement actuels

Il y a de nombreuses raisons pour lesquelles les techniques de revêtement ultranoir actuelles sont insuffisantes pour les dispositifs optiques et électroniques de haute gamme d’aujourd’hui. Les techniques de revêtement les plus populaires actuellement reposent sur des matériaux fragiles, notamment des nanotubes de carbone alignés verticalement ou du silicium noir. Ces matériaux ne peuvent pas résister à des environnements hostiles sans se dégrader rapidement. Ils sont également coûteux et difficiles à créer.

En outre, il est difficile d’appliquer ces revêtements à des structures complexes. Puisque l’application inégale entraîne une durabilité et des performances réduites, davantage de chercheurs ont consacré leurs efforts à la création d’alternatives plus absorbantes. À mesure que les lentilles et les autres dispositifs optiques deviennent plus complexes, il devient crucial de rechercher et de créer de meilleures méthodes d’application uniforme de matériaux non réfléchissants absorbant de lumière.

Entrée en scène du dépôt de couches atomiques (ALD)

Le dépôt de couches atomiques (ALD) aide à résoudre de nombreux problèmes principaux auxquels sont confrontés les fabricants et les chercheurs en matière de revêtements. Le processus repose sur des chambres scellées au vide où un gaz est pompé et laisse une fine couche à la surface. Cette méthode est appelée croissance de film et elle offre aux fabricants un moyen facile de créer des matériaux complexes en utilisant des couches.

La méthode ALD a produit des résultats impressionnants avec un test montrant que 99,3 % de la lumière était absorbée par ce matériau ultranoir. Ces améliorations proviennent d’une couverture de film plus uniforme et de l’utilisation de nouveaux matériaux absorbant de lumière. Plus précisément, les chercheurs introduisent une nouvelle méthode qui utilise deux couches pour améliorer la durabilité.

La couche de base utilise un composite de titane-aluminium-carbone (TiAlC). Cette composition a des qualités d’absorption de lumière ultra-légères et peut résister à une utilisation intensive dans des environnements hostiles, notamment dans l’espace. La deuxième couche utilise un matériau diélectrique de nitrate de silicium (SiO2) qui est idéal pour prévenir les réflexions. Ensemble, ces couches peuvent absorber 99,3 % de la lumière sur une plage de longueurs d’onde.

Histoire de l’ALD

L’idée d’utiliser l’ALD pour appliquer des revêtements minces remonte à plus de 60 ans. Intéressamment, deux inventeurs ont revendiqué la découverte de la technologie. Ces efforts indépendants ont abordé le processus différemment mais ont obtenu les mêmes résultats : une fine couche de revêtement atomique.

Dans les années 1960, des chercheurs soviétiques ont accompli cette tâche en utilisant un processus appelé stratification moléculaire. La découverte n’a pas été immédiatement reconnue à l’Ouest en raison du climat politique tendu qui a suivi la fin de la Seconde Guerre mondiale. Cependant, de nombreux chercheurs ont réalisé tôt que cette technologie serait cruciale pour les dispositifs de la prochaine génération.

Une décennie plus tard, une équipe de recherche finlandaise dirigée par le Dr Tuomo Suntola a réussi à utiliser une nouvelle méthode appelée épitaxie de couches atomiques pour fournir des couches minces et uniformes de matériau absorbant de lumière aux dispositifs. Cette méthode a été un succès instantané auprès des fabricants, ce qui a conduit la Finlande à devenir un hub pour le développement de l’ALD pendant des décennies.

Depuis, la science de l’ALD a continué de s’étendre avec des avancées dans la photovoltaïque, la catalyse, la fabrication de semi-conducteurs et au-delà. Aujourd’hui, vous vivez dans un monde entouré de cette technologie. De votre smartphone à vos panneaux solaires qui alimentent votre maison, les processus ALD ont amélioré la vie de milliards de personnes.

De manière impressionnante, les derniers processus ont évolué à un point où ils peuvent déposer des films uniformes et conformes sur des objets complexes 3D avec une précision atomique. L’ALD offre un revêtement ultra-mince qui peut aller jusqu’à une épaisseur d’un atome. Notamment, le revêtement est si mince qu’il peut être considéré comme 2D.

Utilisations de l’ALD

Aujourd’hui, les processus de fabrication ALD sont un élément crucial du marché. Ces couches minces offrent un moyen solide et efficace de protéger les articles contre les sources d’énergie indésirables. Voici quelques-unes des façons les plus passionnantes dont l’ALD pourrait améliorer votre vie à l’avenir.

Panneaux solaires

Les chercheurs ont fait des progrès significatifs dans la photovoltaïque grâce à l’utilisation de la technologie ALD pour tester de nouveaux matériaux et structures. Les panneaux solaires d’aujourd’hui sont inefficaces, avec la meilleure option ne dépassant pas 30 % de conversion d’énergie. Une grande partie de cette énergie est perdue en chaleur et réfléchie à la surface des cellules dans l’atmosphère.

Les panneaux solaires ALD pourraient capturer plus de lumière et prévenir les fuites. De plus, ils pourraient être conçus pour résister aux environnements les plus hostiles, notamment ceux trouvés sur d’autres planètes où ils seraient nécessaires pour alimenter les dispositifs d’exploration spatiale pendant des années. Par conséquent, de nombreux croyants estiment que les cellules solaires ALD seront celles qui alimenteront le prochain rover lunaire et d’autres aventures spatiales.

Piles au lithium

La technologie des piles au lithium (LIB) offre une densité d’énergie élevée et des batteries à auto-décharge faible. Ces batteries reposent sur des réactions chimiques qui se produisent entre l’électrolyte et l’anode. Malheureusement, les interfaces d’électrolyte solide (SEI) actuelles consomment un pourcentage d’ions de manière permanente, les rendant gaspilleuses.

L’utilisation de l’ALD pour revêtir les couches électroniques pourrait aider à prévenir les pertes de performances et à réduire la dégradation au fil du temps. Les processus ALD peuvent accomplir ces tâches car ils sont à la fois minces et peuvent être appliqués uniformément sans trous à la surface à un niveau atomique. Ce revêtement empêche la contamination indésirable à un niveau atomique.

Microprocesseurs

La technologie des microprocesseurs continue de révolutionner le monde en rendant les appareils électroniques plus avancés, plus petits et plus fiables. Le microprocesseur actuel est à des années-lumière de son prédécesseur, mais il manque encore de nombreux aspects. Premièrement, il consomme beaucoup d’énergie, ce qui signifie que tous vos appareils intelligents consomment une grande quantité d’énergie.

En reconnaissant l’importance de la durabilité énergétique, le ministère de l’Énergie des États-Unis (DOE) a attribué 4 millions de dollars au laboratoire national d’Argonne du DOE pour financer sa recherche sur les puces ALD de nouvelle génération. L’objectif du projet est de trouver de nouveaux matériaux qui peuvent réduire les exigences énergétiques des microprocesseurs de jusqu’à 50 fois. Si cela est couronné de succès, l’ensemble du marché pourrait en bénéficier.

Une partie de l’approche vise à résoudre le “goulet d’étranglement de von Neumann” qui est un terme qui fait référence à la quantité massive d’énergie utilisée par les ordinateurs pour simplement déplacer des données entre les puces logiques et de mémoire. Argonne utilisera l’ALD pour créer des alternatives à faible énergie pour lutter contre la consommation excessive d’énergie avant qu’il ne soit trop tard.

Espace

L’exploration spatiale est l’un des secteurs où l’ALD a joué un rôle important au cours de la dernière décennie. La recherche spatiale nécessite des dispositifs qui peuvent résister à des environnements hostiles sans égal sur Terre. Un satellite peut devoir résister à des températures de +500°F d’un côté, tandis que l’autre côté du dispositif est gelé à des températures en dessous de zéro.

Ces températures et conditions extrêmes peuvent causer des ravages sur les dispositifs optiques et les électroniques. L’ALD offre la meilleure solution à ces problèmes. De plus, les chercheurs continuent d’étendre ses capacités d’absorption de lumière. Les optiques spatiales d’aujourd’hui reposent sur des matériaux qui peuvent également absorber la lumière ultraviolette et infrarouge pour fournir un environnement stérile de lumière.

Leaders du marché ALD

Le marché ALD continue de s’étendre pour répondre à la demande croissante des fabricants et des chercheurs. Ces fournisseurs ALD ont établi des partenariats stratégiques solides et ont prouvé qu’ils offrent des services fiables. Voici quelques-uns des principaux fournisseurs ALD qui stimulent l’innovation aujourd’hui.

1. Argonne

(ANL )

Argonne est un centre de recherche populaire qui travaille avec des fabricants de haute technologie, des gouvernements et d’autres chercheurs pour créer des options de revêtement avancées. La société a été créée dans les années 1940 comme une ramification du projet Manhattan. À l’époque, l’énergie atomique était considérée comme l’avenir.

Depuis, Argonne est devenu un centre de recherche scientifique et d’ingénierie multidisciplinaire, mais se concentre toujours principalement sur la durabilité énergétique. Le groupe utilise son emplacement dans le centre-ville de Chicago pour accéder à une variété d’industries et stimuler la créativité sur les marchés de la physique de l’énergie et des sciences des matériaux.

2. Beneq

(Privé)

En 1984, Beneq est devenu la première ligne de production industrielle au monde à intégrer les méthodes ALD dans ses processus. Cette société finlandaise privée a été une pionnière sur le marché depuis la création de l’ALD. Aujourd’hui, elle fournit des équipements ALD de haute gamme aux entreprises et se spécialise dans les processus de fabrication de semi-conducteurs.

Beneq reste une force pionnière dans le secteur ALD et a été reconnue comme l’un des noms les plus établis de cette liste. Le groupe continue d’offrir de nouvelles solutions de revêtement innovantes. Par conséquent, de nombreux le considèrent comme un leader du marché.

3. CVD Equipment

(CVV )

CVD Equipment est un autre fournisseur ALD respecté. Le groupe a gagné une réputation pour fournir des équipements de dépôt chimique en phase vapeur et des processus thermiques précis et fiables au marché. Aujourd’hui, CVD sert plusieurs industries, notamment les secteurs automobile et aérospatial.

CVD offre des services depuis plus de 40 ans. Cette expérience a permis à la société de se positionner comme une force pionnière sur le marché. Elle a également permis à l’entreprise d’améliorer et d’optimiser ses processus pour maximiser les performances.

4. Applied Materials

(AMAT )

Applied Materials est devenu un acteur majeur sur le marché ALD après avoir acquis Picosun en 2020. À l’époque, Picosun était l’un des fournisseurs ALD les plus actifs de l’industrie. Applied Materials a exploité leur expérience et leur réseau pour innover de nouvelles méthodes et stratégies pour appliquer des couches ultra-minces.

Aujourd’hui, Applied Materials offre des services ALD aux clients d’entreprise. Ces services comprennent des lignes de production clés en main et des offres de recherche. De plus, les entreprises peuvent utiliser la consultation d’Applied Materials pour aider à rationaliser la création et l’intégration des services ALD.

L’intelligence artificielle améliore l’ALD

L’une des raisons pour lesquelles l’ALD s’est amélioré au cours des dernières années est l’intégration d’algorithmes d’intelligence artificielle. Plus précisément, les algorithmes d’apprentissage automatique permettent aux développeurs de créer et de tester de nouveaux composés virtuellement. Cette capacité réduit considérablement les coûts de R&D et permet aux développeurs de voir comment certains matériaux interagissent sans avoir besoin de machines spéciales pour accomplir la tâche.

Les algorithmes d’apprentissage automatique peuvent exécuter des millions d’essais pour trouver des points faibles ou des seuils potentiels. Ce style d’IA est très efficace et n’a besoin d’être enseigné qu’une seule fois pour effectuer des tâches de manière optimale. De plus, les réseaux de neurones d’apprentissage pourraient voir l’IA recommander de nouveaux matériaux et effectuer des tests et des développements de leur propre chef.

La simulation IA est un jeu-changer pour de nombreuses raisons. Premièrement, ces tests permettent de tester leurs créations à la limite sans endommager d’articles dans le monde réel. Les développeurs peuvent créer, tester et ajuster tout virtuellement avant de consacrer des fonds aux méthodes de fabrication. De cette façon, l’IA pourrait être la clé pour débloquer de nouveaux niveaux de résilience et de méthodes d’application à l’avenir.

Expansion du marché ALD

Le marché ALD est en pleine croissance, avec des rapports indiquant que 4,46 milliards de dollars de chiffre d’affaires ont été générés par la vente d’équipements ALD en 2023. Les mêmes données mettent en évidence un potentiel de croissance important à l’avenir, avec un taux de croissance annuel composé (CAGR) de 8,90 % prévu sur la décennie à venir sur le marché américain seul.

Le rapport montre également que la demande accrue est le résultat de la miniaturisation continue des dispositifs électroniques et de l’amélioration des processus de fabrication. De nouveaux processus améliorent la qualité et réduisent les coûts d’application. Le même rapport montre également comment la demande accrue de panneaux solaires est un autre catalyseur de l’expansion de l’ALD.

Il peut toujours devenir plus noir

La science de la création du matériau le plus sombre continuera d’évoluer et de stimuler l’innovation dans les secteurs scientifiques. Des dispositifs optiques de haute gamme à l’exploration spatiale et à la capture des rayons solaires, les technologies ALD sont à la pointe de l’innovation. Pour ces raisons, il est intelligent de garder un œil sur ces sociétés dans les mois à venir.

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