שכבת הפרישה האטומית (ALD) משמשת ליצירת ציפוי אולטרה-שחור מושלם לצפייה ביקום

חוקרים מאוניברסיטת שאנגחאי למדע וטכנולוגיה והאקדמיה הסינית למדעים השיגו הישג משמעותי לאחר שהצליחו להשתמש בשיטה חדשה של שכבת הפרישה האטומית (ALD) כדי ליישם ציפוי אולטרה-שחור על פני שטח לא אחיד. הציפוי המשודרג יותר עמיד ויעיל מקודמיו. כך, הפיתוח יכול להיות בעל משמעות רבה עבור תעשיות רבות, כולל אופטיקה, חקר החלל, אנרגיה מתחדשת ועוד. זה מה שאתה צריך לדעת.

החוקרים פרסמו את ממצאיהם והסבירו בפירוט כיצד הם יצרו ציפוי דק ועמיד של אולטרה-שחור, שנועד במיוחד לסגסוגות מגנזיום ברמת אווירונאוטיקה. סגסוגות אלו נפוצות בחקר החלל, שם משקל ועמידות הם דאגות עיקריות.

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

אלו שאינם מוכרים עם התהליך המשמש ליצירת התקנים ואופטיקה מתקדמים, עשויים שלא להבין את החשיבות העליונה של מציאת חומר שחור-לא-מחזיר. במיוחד, אור נודד יכול לגרום להפרעות בהתקנים אלו ולהפחית באופן משמעותי את האיכות. עקב כך, היה שורה של שיפורים בחיפוש אחר החומר השחור-לא-מחזיר.

הציפויים האלו יעזרו לקדם טכנולוגיות אווירונאוטיות, שם שילובים חדשים של חומרים יכולים ליצור חומרים חזקים יותר. חומרים קלים אלו נמצאים על לוויינים, חלליות וחליפות רבות. הם משמשים גם בתעשייה האווירונאוטית בשל עמידותם ואיכותם המוכחת.

בחיפוש אחר השחור הכהה ביותר

ככל שהאופטיקה המדויקת משתפרת, הביקוש לחומרים בולעי-אור גדל. עד לאחרונה, שומש סרט שחור דק כדי ליצור חומר לא-מחזיר ובולע-אור בתוך עדשות מצלמה והתקנים אחרים בעלי צורה מעוקמת או מוזרה. הציפוי ALD מספק פתרון טוב יותר שניתן ליישום בקלות רבה יותר ועמיד בפני תנאים קיצוניים. התהליך יוצר שכבות דקות ואחידות שאינן מותירות אזורים ללא מגע.

בעיות עם חומרי הציפוי ושיטות הציפוי הנוכחיות

ישנן סיבות רבות למה שיטות הציפוי האולטרה-שחור הקיימות אינן מספיקות עבור התקנים האופטיים והאלקטרוניים המתקדמים של היום. שיטות הציפוי הפופולריות ביותר כיום מסתמכות על ציפויים המשתמשים בחומרים שבירים, כולל ננו-צינורות פחמן מסודרים אנכית או סיליקון שחור. חומרים אלו אינם יכולים לעמוד בסביבות קשות בלי להיחלש במהירות. הם גם יקרים וקשים ליצור.

בנוסף, קשה ליישם ציפויים אלו על מבנים מורכבים. מאחר שיישום לא אחיד גורם לעמידות פחותה וביצועים מופחתים, יותר חוקרים הקדישו מאמצים ליצירת חומרים בולעי-אור טובים יותר. ככל שהעדשות והתקנים האופטיים הופכים מורכבים יותר, הופך חיפוש אחר דרכים טובות יותר ליישום חומרים לא-מחזירים ובולעי-אור לבעיה קריטית.

כניסת שכבת הפרישה האטומית (ALD)

שכבת הפרישה האטומית (ALD) עוזרת לפתור הרבה מהבעיות העיקריות שיצרנים וחוקרים פוגשים בנוגע לציפויים. התהליך מסתמך על חדרים הרמטיים שבהם גז משאב אליהם ועוזב שכבה דקה על הפני השטח. שיטה זו נקראת צמיחת סרט והיא מספקת ליצרנים דרך קלה ליצור חומרים מורכבים באמצעות שכבות.

שיטת ALD הניבה תוצאות מרשימות, עם מבחן שהראה כי 99.3% מהאור בולע על ידי חומר האולטרה-שחור. שיפורים אלו באים מכיסוי הסרט האחיד יותר ומשימוש בחומרים בולעי-אור חדשים. במיוחד, החוקרים מציגים שיטה חדשה המשתמשת בשתי שכבות כדי לשפר את העמידות.

השכבה הבסיסית משתמשת בקומפוזיט TiAlC, שהוא בעל תכונות בולע-אור אולטרה-קלות ויכול לעמוד בשימוש כבד בסביבות קשות, כולל בחלל. השכבה השנייה משתמשת בחומר דיאלקטרי, סיליקון ניטריד (SiO2), שהוא אידיאלי למניעת החזרות. שתי השכבות האלו יכולות לבלוע 99.3% מהאור במגוון רחב של אורכי גל.

היסטוריה של ALD

הרעיון של שימוש ב-ALD כדי ליישם ציפויים דקים היה קיים כבר למעלה מ-60 שנה. באופן מעניין, שני ממציאים טענו לגילוי הטכנולוגיה. מאמצים עצמאיים אלו הלכו בדרכים שונות אך הגיעו לאותם תוצאות: שכבה אטומית דקה של ציפוי.

בשנות ה-60, חוקרים סובייטים השיגו משימה זו באמצעות תהליך שנקרא שכבות מולקולריות. הגילוי לא הוכר מיד במערב בשל האווירה הפוליטית המתוחה לאחר סוף מלחמת העולם השנייה. עם זאת, רבים מהחוקרים הבינו מוקדם שטכנולוגיה זו תהיה מהפכנית עבור הדור הבא של התקנים.

עשור לאחר מכן, צוות פיני בראשות ד”ר טואומו סונטולה הצליח להשתמש בשיטה חדשה שנקראה אפיטקסיה אטומית, כדי לספק ציפויים דקים ואחידים של חומרים בולעי-אור להתקנים. שיטה זו הייתה להצלחה מיידית אצל יצרנים, מה שהוביל לכך שפינלנד הפכה למרכז לפיתוח ALD למשך עשורים.

מאז, מדע ALD המשיך להתפתח עם פריצות דרך בפוטובולטאיקה, זרז, ייצור שבבים ומעבר. היום, אתה חי בעולם שמוקף בטכנולוגיה זו. מהטלפון החכם שלך ועד ללוחות השמש שמספקים חשמל לביתך, תהליכי ALD שיפרו את חייהם של מיליארדים.

באופן מרשים, התהליכים האחרונים פותחו לנקודה שבה הם יכולים להפקיד סרטים אחידים ומתואמים על אובייקטים מורכבים ותלת-ממדיים עם דיוק אטומי. ALD מציע ציפוי אולטרה-דק שיכול להיות דק כמו שכבה אחת של אטומים. במיוחד, הציפוי כל כך דק עד שניתן להחשיבו כתלת-ממדי.

שימושים ב-ALD

היום, תהליכי ALD הם רכיב חשוב בשוק. שכבות דקות אלו מספקות דרך חזקה ויעילה להגן על פריטים ממקורות אנרגיה לא רצויים. זה כמה מהדרכים המרגשות ביותר שבהן ALD יכול לשפר את חייך בעתיד.

תאים סולאריים

חוקרים עשו צעדים משמעותיים בפוטובולטאיקה בזכות שימוש בטכנולוגיה ALD כדי לנסות חומרים ומבנים חדשים. תאים סולאריים של היום אינם יעילים, עם האפשרות הטובה ביותר שממוצעת רק כ-30% המרה אנרגטית. הרבה מהאנרגיה הזו אבודה לחום ומוחזרת מפני השטח של התאים לאטמוספירה.

תאים סולאריים ALD יכולים ללכוד יותר אור ולמנוע דליפות. בנוסף, הם יכולים להיות מותאמים לעמוד בסביבות הקשות ביותר, כולל אלו שנמצאות על כוכבים אחרים, שם הם ידרשו להפעיל התקנים לחקר החלל למשך שנים. כך, הרבה מאמינים כי תאים סולאריים ALD יהיו אלו שיניעו את הרובר הבא לירח ומיזמים אחרים לחקר החלל.

סוללות ליתיום

טכנולוגיה של סוללות ליתיום-יון (LIB) מספקת סוללות בעלות צפיפות אנרגיה גבוהה ופליטה עצמית נמוכה. סוללות אלו מסתמכות על תגובות כימיות שמתרחשות בין האלקטרוליט לאנוד. לצער, הממשקים הנוכחיים של ממשקי אלקטרוליט מוצק (SEI) צורכים אחוז מהיונים באופן קבוע, מה שהופך אותם לבזבזניים.

שימוש ב-ALD כדי לצפות שכבות אלקטרונים יכול לעזור למנוע הפסדים בביצועים ולהפחית את הדעיכה במשך הזמן. תהליכי ALD יכולים לבצע משימות אלו משום שהם דקים ויכולים להיות מיושמים באופן אחיד, ללא חורים בפני השטח, ברמה האטומית. ציפוי זה מונע התערבבות בלתי רצויה ברמה האטומית.

מיקרו-שבבים

טכנולוגיית מיקרו-שבבים ממשיכה למהפכ את העולם על ידי יצירת אלקטרוניקה מתקדמת יותר, קטנה ואמינה. המיקרו-שבב הנוכחי הוא לאור-שנים מקודמו, אך עדיין חסר בהרבה היבטים. למשל, הוא צורך הרבה אנרגיה, מה שאומר שכל ההתקנים החכמים שלך מסתכמים בכמות גדולה של אנרגיה.

בהכרת החשיבות של קיימות אנרגטית, מחלקת האנרגיה של ארצות הברית (DOE) העניקה 4 מיליון דולר למעבדה הלאומית ארגון (Argonne) כדי לממן את מחקר ה-ALD הבא שלהם. מטרת הפרויקט היא למצוא חומרים חדשים שיכולים להפחית את דרישות האנרגיה של המיקרו-שבב בעד 50. אם יצליח, כל השוק יוכל להרוויח.

חלק מהגישה מנסה לפתור את “צוואר הבקבוק של פון נוימן”, שהוא מונח המתייחס לכמות העצומה של אנרגיה המשמשת על ידי מחשבים פשוט להעביר נתונים בין שבבי לוגיקה וזיכרון. ארגון תשתמש ב-ALD כדי ליצור חלופות בעלות אנרגיה נמוכה כדי להילחם בצריכת האנרגיה המופרזת לפני שיהיה מאוחר מדי.

חלל

חקר החלל הוא אחד התחומים שבהם ALD מילא תפקיד משמעותי בעשור האחרון. מחקר החלל דורש התקנים שיכולים לעמוד בסביבות קיצוניות, שונות מכל מה שקיים על כדור הארץ. לוויין עשוי לעמוד בטמפרטורות של מעל 500 פרנהייט בצד אחד, בעוד הצד השני של ההתקן קופא בטמפרטורות מתחת לאפס.

טמפרטורות ותנאים קיצוניים אלו יכולים לגרום נזק להתקנים אופטיים ואלקטרוניים. ALD מספק את הפתרון הטוב ביותר לבעיות אלו. בנוסף, חוקרים ממשיכים להרחיב את יכולות הבליעה של האור. היום, אופטיקה של החלל מסתמכת על חומרים שיכולים גם לבלוע אור אולטרה-סגול ואינפרא-אדום, כדי לספק סביבה נקייה מאור.

מנהיגי שוק ALD

שוק ALD ממשיך להתרחב כדי לענות על הביקוש הגובר של יצרנים אלקטרוניים וחוקרים. ספקי ALD אלו הבטיחו שותפויות אסטרטגיות חזקות והוכיחו כי הם מספקים שירותים אמינים. זה כמה מהספקים המובילים של ALD המניעים חדשנות היום.

1. Argonne

(ANL )

Argonne הוא מרכז מחקר פופולרי שעובד עם יצרנים היי-טק, ממשלות וחוקרים אחרים כדי ליצור אפשרויות ציפוי מתקדמות. החברה הוקמה בשנות ה-40 כשלוחה של פרויקט מנהטן. באותה תקופה, אנרגיה אטומית נתפסה כעתיד.

מאז, Argonne הפך למרכז מחקר רב-תחומי למדע והנדסה, אך עדיין מתמקד בעיקר בקיימות אנרגיה. הקבוצה מנצלת את מיקומה במרכז שיקגו כדי לגשת למגוון תעשיות ולניע את היצירתיות בשווקים של פיזיקת אנרגיה ומדע חומרים.

2. Beneq

(Private)

ב-1984, Beneq הפכה לקו הייצור התעשייתי הראשון ששילב שיטות ALD לתהליכים שלו. חברה פינית פרטית זו הייתה חלוצה בשוק מאז ש-ALD נוצר. היום, היא מספקת ציוד ALD ברמה גבוהה לחברות ומתמחה בתהליכי ייצור שבבים.

Beneq נותרה כוח מוביל בתחום ALD והוכרה כאחד מהשמות המוכרים ביותר ברשימה. הקבוצה ממשיכה להציע פתרונות ציפוי חדשים וחדשניים. עקב כך, רבים רואים בה מנהיגת שוק.

3. CVD Equipment

(CVV )

CVD Equipment הוא ספק ALD נוסף מוכר. הקבוצה זכתה למוניטין עבור אספקת ציוד הפקה ותהליכים תרמיים מדויקים ואמינים לשוק. היום, CVD משרתת מספר תעשיות, כולל תעשיות הרכב והאווירונאוטיקה.

CVD הוא בעל ניסיון של יותר מ-40 שנה. ניסיון זה איפשר לחברה להתמקם ככוח חלוצי בשוק. הוא איפשר גם לחברה לשפר ולאופטימיז את תהליכיה כדי למקסם ביצועים.

4. Applied Materials

(AMAT )

Applied Materials הפך לשחקן מרכזי בשוק ALD לאחר שרכש את Picosun ב-2020. באותה תקופה, Picosun היה אחד מספקי ALD הפעילים ביותר בתעשייה. Applied Materials ניצל את הניסיון והרשת של Picosun כדי לחדש שיטות ואסטרטגיות חדשות ליישום שכבות אולטרה-דקות.

היום, Applied Materials מציע שירותי ALD ללקוחות ברמה תאגידית. שירותים אלו כוללים קווי ייצור ושירותי מחקר. בנוסף, חברות יכולות לנצל את שירותי הייעוץ של Applied Materials כדי לעזור לזרים את יצירתו ואינטגרציה של שירותי ALD.

בינה מלאכותית משפרת ALD

אחת הסיבות למה ALD השתפרה במהלך השנים האחרונות היא האינטגרציה של אלגוריתמים של בינה מלאכותית. במיוחד, אלגוריתמים של למידת מכונה מאפשרים למפתחים ליצור ולנסות תרכובות חדשות באופן וירטואלי. יכולת זו מורידה באופן משמעותי את עלויות ה-P&D ומאפשרת למפתחים לראות כיצד חומרים מסוימים מתנהגים בלי צורך במכונות מיוחדות לביצוע המשימה.

אלגוריתמים של למידת מכונה יכולים לרוץ מיליוני ניסויים כדי למצוא נקודות תורפה או ספיים. סוג זה של AI מאוד יעיל ורק צריך להילמד פעם אחת כדי לבצע משימות באופן אופטימלי. בנוסף, רשתות נוירונים לומדות יכולות להמליץ על חומרים חדשים ולבצע בדיקות ופיתוח באופן עצמאי.

סימולציה של AI היא משחררת: היא מאפשרת לבצע בדיקות שיא ללא פגיעה בפריטים בעולם האמיתי. מפתחים יכולים ליצור, לבדוק ולשפר הכל באופן וירטואלי לפני שיכניסו כסף לשיטות ייצור. בדרך זו, AI יכולה להיות המפתח לנעילת רמות חדשות של עמידות ושיטות יישום בעתיד.

התרחבות שוק ALD

שוק ALD עולה, עם דו”חות המראים כי 4.46 מיליארד דולר בהכנסות נוצרו ממכירת ציוד ALD ב-2023. אותם נתונים מצביעים על פוטנציאל צמיחה משמעותי בעתיד, עם 8.90% CAGR מוערך בעשר השנים הקרובות בשוק האמריקאי לבדו.

הדו”ח גם מראה כי הביקוש הגובר הוא תוצאה של המיניאטוריזציה המתמשכת של התקנים אלקטרוניים ושיפורים בתהליכי ייצור. תהליכים חדשים משפרים איכות ומורידים עלויות יישום. אותו דו”ח גם מראה כיצד הביקוש הגובר ללוחות סולאריים הוא זרז נוסף להתרחבות ALD.

זה תמיד יכול להיות שחור יותר

המדע של יצירת החומר השחור ביותר ימשיך להתפתח ולנעול חדשנות בכל תחומי המדע. מהתקנים אופטיים מתקדמים ועד לחקר החלל ולכידת קרני השמש, טכנולוגיות ALD נמצאות בחזית החדשנות. עקב כך, זה חכם לשמור עין על חברות אלו בחודשים הקרובים.

ניתן ללמוד עוד על פרויקטים מרגשים של בלוקצ’יין כאן.