Deposizione di strati atomici (ALD) utilizzata per creare un rivestimento ultranero perfetto per la visione del cosmo

Ricercatori dell’Università di Shanghai per la Scienza e la Tecnologia e dell’Accademia Cinese delle Scienze hanno raggiunto un importante traguardo dopo aver utilizzato con successo un nuovo metodo di Deposizione di strati atomici (ALD) per applicare un rivestimento ultranero a una superficie irregolare. Il rivestimento migliorato è più resistente ed efficace dei suoi predecessori. Pertanto, questo sviluppo potrebbe avere importanti implicazioni per molte industrie, tra cui ottica, esplorazione spaziale, energia rinnovabile e molto altro. Ecco cosa è necessario sapere.

I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati e spiegato in dettaglio come hanno creato un rivestimento sottile ultranero resistente, progettato specificamente per leghe di magnesio di grado aerospaziale. Queste leghe sono comunemente utilizzate nell’esplorazione spaziale, dove il peso e la resistenza sono preoccupazioni importanti.

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

Coloro che non sono familiari con il processo utilizzato per creare dispositivi e ottiche di alta tecnologia potrebbero non capire l’importanza di trovare materiali neri non riflettenti. In particolare, la luce vagante può causare interferenze in questi dispositivi e ridurre notevolmente la qualità. Di conseguenza, c’è stata una costante ricerca di miglioramenti nella ricerca del materiale nero più scuro.

Questi rivestimenti aiuteranno a far avanzare le tecnologie aerospaziali, dove nuove combinazioni di materiali possono creare materiali più resistenti. Questi materiali leggeri si trovano su molti satelliti, veicoli spaziali e tute. Sono anche comunemente utilizzati nel settore aeronautico a causa della loro resistenza e durata comprovate.

In cerca del nero più scuro

Man mano che l’ottica di precisione continua a migliorare, aumenta la domanda di materiali più assorbenti della luce. Fino a poco tempo fa, un sottile film nero veniva utilizzato per creare un materiale non riflettente assorbente della luce all’interno di lenti e altri dispositivi curvi o di forma strana. Il rivestimento ALD offre una soluzione migliore che può essere applicata più facilmente e resiste a condizioni estreme. Il processo crea strati sottili e uniformi che non lasciano aree inesplorate.

Problemi con i materiali e i metodi di rivestimento attuali

Ci sono molte ragioni per cui le tecniche di rivestimento ultranero attuali sono insufficienti per i dispositivi ottici ed elettronici di alta gamma di oggi. Le tecniche di rivestimento più popolari attualmente si basano su materiali fragili, tra cui nanotubi di carbonio allineati verticalmente o silicio nero. Questi materiali non possono resistere a ambienti ostili senza degradarsi rapidamente. Sono anche costosi e difficili da creare.

Inoltre, è difficile applicare questi rivestimenti a strutture complesse. Poiché l’applicazione irregolare comporta una minor durata e prestazioni ridotte, molti ricercatori hanno dedicato gli sforzi per creare alternative più assorbenti. Man mano che le lenti e gli altri dispositivi ottici diventano più complessi, diventa fondamentale ricercare e creare migliori modi di applicare uniformemente materiali non riflettenti e assorbenti della luce.

Entra la Deposizione di strati atomici (ALD)

La Deposizione di strati atomici (ALD) aiuta a risolvere molti dei principali problemi affrontati dai produttori e dai ricercatori riguardo ai rivestimenti. Il processo si basa su camere sigillate in cui viene pompato un gas che lascia uno strato sottile sulla superficie. Questo metodo è chiamato crescita del film e fornisce ai produttori un modo facile per creare materiali complessi utilizzando strati.

Il metodo ALD ha prodotto risultati impressionanti, con un test che ha mostrato che il 99,3% della luce veniva assorbito da questo materiale ultranero. Questi miglioramenti derivano dalla copertura del film più uniforme e dall’utilizzo di nuovi materiali assorbenti della luce. In particolare, i ricercatori introducono un nuovo metodo che utilizza due strati per migliorare la durata.

Il livello di base utilizza un composito di titanio-alluminio-carbonio (TiAlC). Questa composizione ha qualità di assorbimento della luce ultra-leggero e può resistere a un uso intenso in ambienti ostili, tra cui lo spazio. Il secondo strato utilizza un materiale dielettrico silicio-nitruro (SiO2) che è ideale per prevenire le riflessioni. Insieme, questi strati possono assorbire il 99,3% della luce su un intervallo di lunghezze d’onda.

Storia dell’ALD

L’idea di utilizzare l’ALD per applicare rivestimenti sottili esiste da oltre 60 anni. Interessantemente, due inventori hanno rivendicato la scoperta della tecnologia. Questi sforzi indipendenti hanno seguito il processo in modo diverso, ma hanno ottenuto gli stessi risultati: uno strato di rivestimento atomico sottile.

Negli anni ’60, i ricercatori sovietici hanno realizzato questo compito utilizzando un processo chiamato stratificazione molecolare. La scoperta non è stata immediatamente riconosciuta in Occidente a causa del clima politico teso dopo la fine della seconda guerra mondiale. Tuttavia, molti ricercatori hanno capito fin dall’inizio che questa tecnologia sarebbe stata fondamentale per i dispositivi di prossima generazione.

Un decennio dopo, un team di ricerca finlandese guidato dal Dr. Tuomo Suntola ha utilizzato con successo un nuovo metodo chiamato epitassia di strato atomico per fornire strati sottili e uniformi di materiale assorbente la luce ai dispositivi. Questo metodo è stato un successo immediato tra i produttori, portando la Finlandia a diventare un hub per lo sviluppo dell’ALD per decenni.

Da allora, la scienza dell’ALD ha continuato a espandersi con innovazioni in fotovoltaico, catalisi, produzione di semiconduttori e altro. Oggi vivi in un mondo circondato da questa tecnologia. Dal tuo smartphone ai pannelli solari che alimentano la tua casa, i processi ALD hanno migliorato la vita di miliardi di persone.

In modo impressionante, gli ultimi processi sono stati sviluppati al punto da poter depositare film uniformi e conformali su oggetti complessi tridimensionali con precisione atomica. L’ALD offre un rivestimento ultra-sottile che può essere ridotto a uno spessore di un solo atomo. Notabilmente, il rivestimento è così sottile che può essere considerato bidimensionale.

Utilizzi dell’ALD

Oggi, i processi di produzione ALD sono un componente cruciale del mercato. Questi strati sottili forniscono un modo forte e efficace per proteggere gli articoli da fonti di energia indesiderate. Ecco alcuni dei modi più emozionanti in cui l’ALD potrebbe migliorare la tua vita nel futuro.

Pannelli solari

I ricercatori hanno fatto notevoli passi avanti nel fotovoltaico grazie all’utilizzo della tecnologia ALD per testare nuovi materiali e strutture. I pannelli solari di oggi sono inefficienti, con la migliore opzione che raggiunge solo una media del 30% di conversione dell’energia. Gran parte di questa energia viene persa a causa del calore e riflessa dalla superficie delle celle nell’atmosfera.

I pannelli solari ALD potrebbero catturare più luce e prevenire perdite. Inoltre, potrebbero essere progettati per resistere agli ambienti più ostili, tra cui quelli trovati su altri pianeti, dove sarebbero necessari per alimentare dispositivi di esplorazione spaziale per anni. Pertanto, molti credono che i pannelli solari ALD saranno quelli che alimentano il prossimo rover lunare e altre imprese spaziali.

Batterie al litio

La tecnologia delle batterie al litio (LIB) fornisce batterie ad alta densità di energia e a bassa auto-scarica. Queste batterie si basano su reazioni chimiche che si verificano tra l’elettrolita e l’anodo. Purtroppo, le interfacce elettrolita-anodo (SEI) attuali consumano una percentuale degli ioni in modo permanente, rendendole inefficienti.

L’utilizzo dell’ALD per rivestire strati elettronici potrebbe aiutare a prevenire perdite di prestazioni e ridurre la degradazione nel tempo. I processi ALD possono eseguire queste attività perché sono sottili e possono essere applicati uniformemente senza buchi nella superficie a livello atomico. Questo rivestimento impedisce la contaminazione indesiderata a livello atomico.

Microchip

La tecnologia dei microchip continua a rivoluzionare il mondo rendendo dispositivi elettronici più avanzati e più piccoli. L’attuale microchip è anni luce avanti rispetto ai suoi predecessori, ma manca ancora in molti aspetti. Ad esempio, è molto energivoro, il che significa che tutti i tuoi dispositivi intelligenti equivalgono a un grande consumo di energia.

Riconoscendo l’importanza della sostenibilità energetica, il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) ha assegnato 4 milioni di dollari al Laboratorio Nazionale di Argonne del DOE per finanziare la ricerca sui prossimi microchip ALD. L’obiettivo del progetto è trovare nuovi materiali che possano ridurre i requisiti energetici dei microchip del 50%. Se sarà un successo, l’intero mercato potrà trarne beneficio.

Parte dell’approccio cerca di risolvere il “collo di bottiglia di von Neumann“, un termine che si riferisce alla grande quantità di energia utilizzata dai computer solo per spostare i dati tra chip logici e di memoria. Argonne utilizzerà l’ALD per creare alternative a basso consumo energetico per aiutare a combattere il consumo eccessivo di energia prima che sia troppo tardi.

Spazio

L’esplorazione spaziale è uno dei settori in cui l’ALD ha svolto un ruolo significativo negli ultimi dieci anni. La ricerca spaziale richiede dispositivi che possano gestire ambienti avversi diversi da qualsiasi cosa sulla Terra. Un satellite potrebbe dover resistere a temperature di +500Fh su un lato, mentre l’altro lato del dispositivo è congelato a temperature inferiori a zero.

Queste temperature estreme e condizioni possono causare gravi problemi ai dispositivi ottici e elettronici. L’ALD fornisce la migliore soluzione a questi problemi. Inoltre, i ricercatori continuano a espandere le sue capacità di assorbimento della luce. Gli attuali dispositivi ottici spaziali si basano su materiali che possono anche assorbire luce ultravioletta e infrarossa per fornire un ambiente luminoso sterile.

Leader del mercato ALD

Il mercato ALD continua a espandersi per soddisfare la crescente domanda dei produttori di dispositivi elettronici e dei ricercatori. Questi fornitori di ALD hanno stabilito partnership strategiche solide e hanno dimostrato di offrire servizi affidabili. Ecco alcuni dei principali fornitori di ALD che guidano l’innovazione oggi.

1. Argonne

(ANL )

Argonne è un centro di ricerca popolare che lavora con produttori di alta tecnologia, governi e altri ricercatori per creare opzioni di rivestimento avanzate. L’azienda è nata negli anni ’40 come ramo del Progetto Manhattan. All’epoca, l’energia atomica era vista come il futuro.

Da allora, Argonne è diventato un centro di ricerca scientifica e ingegneristica multidisciplinare, ma si concentra ancora principalmente sulla sostenibilità energetica. Il gruppo sfrutta la sua posizione nel centro di Chicago per accedere a una varietà di settori e guidare la creatività nei mercati di fisica dell’energia e scienza dei materiali.

2. Beneq

(Privata)

Nel 1984, Beneq è diventata la prima linea di produzione industriale al mondo a integrare metodi ALD nei suoi processi. Questa azienda finlandese di proprietà privata è stata una pioniera del mercato fin dalla creazione dell’ALD. Oggi, fornisce attrezzature ALD di alta gamma alle aziende e si specializza in processi di produzione di semiconduttori.

Beneq rimane una forza trainante nel settore ALD e è stata riconosciuta come uno dei nomi più stabiliti in questa lista. Il gruppo continua a offrire nuove e innovative soluzioni di rivestimento. Pertanto, molti la considerano un leader del mercato.

3. CVD Equipment

(CVV )

CVD Equipment è un altro rispettato fornitore di ALD. Il gruppo ha guadagnato una reputazione per fornire attrezzature di deposizione chimica in fase vapore e processi termici precise e affidabili al mercato. Oggi, CVD serve molti settori, tra cui i settori automobilistico e aerospaziale.

CVD ha offerto servizi per oltre 40 anni. Questa esperienza ha consentito all’azienda di posizionarsi come forza trainante nel mercato. Ha anche consentito all’azienda di migliorare e ottimizzare i propri processi per massimizzare le prestazioni.

4. Applied Materials

(AMAT )

Applied Materials è diventata un importante attore nel mercato ALD dopo aver acquisito Picosun nel 2020. All’epoca, Picosun era uno dei principali fornitori di ALD nel settore. Applied Materials ha sfruttato la loro esperienza e rete per innovare nuovi metodi e strategie per applicare strati ultra-sottili.

Oggi, Applied Materials offre servizi ALD a clienti di livello aziendale. Questi servizi includono linee di produzione chiavi in mano e offerte di ricerca. Inoltre, le aziende possono sfruttare la consulenza di Applied Materials per aiutare a semplificare la creazione e l’integrazione dei servizi ALD.

Intelligenza artificiale migliora l’ALD

Una delle ragioni per cui l’ALD è migliorato negli ultimi anni è l’integrazione di algoritmi di intelligenza artificiale. In particolare, gli algoritmi di apprendimento automatico consentono agli sviluppatori di creare e testare nuovi composti virtualmente. Questa capacità riduce notevolmente i costi di ricerca e sviluppo e consente agli sviluppatori di vedere come interagiscono determinati materiali senza dover utilizzare macchine speciali per eseguire il compito.

Gli algoritmi di apprendimento automatico possono eseguire milioni di test per trovare potenziali punti deboli o soglie. Questo stile di intelligenza artificiale è molto efficace e richiede solo di essere insegnato una volta per eseguire le attività in modo ottimale. Inoltre, le reti neurali di apprendimento potrebbero vedere l’intelligenza artificiale raccomandare nuovi materiali e condurre test e sviluppo in modo autonomo.

La simulazione dell’intelligenza artificiale è un gioco di cambiamento per molte ragioni. Ad esempio, questi test rendono possibile testare le creazioni fino al limite assoluto senza danneggiare articoli nel mondo reale. Gli sviluppatori possono creare, testare e regolare tutto virtualmente prima di investire fondi per i metodi di produzione. In questo modo, l’intelligenza artificiale potrebbe essere la chiave per sbloccare nuovi livelli di resistenza e metodi di applicazione nel futuro.

Espansione del mercato ALD

Il mercato ALD è in crescita, con rapporti che mostrano come siano stati generati 4,46 miliardi di dollari di entrate dalla vendita di attrezzature ALD nel 2023. Gli stessi dati evidenziano un notevole potenziale di crescita nel futuro, con un tasso di crescita annuo composto (CAGR) dell’8,90% previsto per il prossimo decennio nel mercato degli Stati Uniti.

Il rapporto mostra anche che la maggiore domanda è il risultato della continua miniaturizzazione dei dispositivi elettronici e dei miglioramenti dei processi di produzione. I nuovi processi migliorano la qualità e riducono i costi di applicazione. Lo stesso rapporto mostra anche come la maggiore domanda di pannelli solari sia un altro catalizzatore per l’espansione dell’ALD.

Si può sempre diventare più scuro

La scienza della creazione del materiale più scuro continuerà a evolversi e a guidare l’innovazione in tutti i settori scientifici. Dalle apparecchiature ottiche di alta gamma all’esplorazione spaziale e alla cattura dei raggi solari, le tecnologie ALD sono all’avanguardia dell’innovazione. Per queste ragioni, è intelligente tenere d’occhio queste aziende nei prossimi mesi.

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