Atomische Laag Depositie (ALD) Gebruikt om Ultrazwarte Coating te Creëren, Perfect voor het Bekijken van de Kosmos

Onderzoekers van de University of Shanghai for Science and Technology en de Chinese Academy of Sciences hebben een belangrijke mijlpaal bereikt door met succes een nieuwe methode van Atomische Laag Depositie (ALD) te gebruiken om een ultrazwarte coating op een ongelijke oppervlakte aan te brengen. De verbeterde coating is veerkrachtiger en effectiever dan zijn voorgangers. Hierdoor kan de ontwikkeling grote gevolgen hebben voor meerdere sectoren, waaronder optica, ruimtevaart, hernieuwbare energie en nog veel meer. Dit is wat u moet weten.

De onderzoekers hebben hun bevindingen gepubliceerd en in detail uitgelegd hoe ze een duurzame ultrazwarte dunnefilmcoating hebben gecreëerd, specifiek ontworpen voor magnesiumlegeringen van lucht- en ruimtevaartkwaliteit. Deze legeringen worden vaak gebruikt in de ruimtevaart, waar gewicht en duurzaamheid grote zorgen zijn.

Bron – Photonexpert – Atomische Laag Depositie (ALD) Uitvinder Dr. Tuomo Suntola

Wie niet bekend is met het proces dat wordt gebruikt om hightechapparaten en optica te maken, begrijpt misschien niet het cruciale belang van het vinden van niet-reflecterend zwart materiaal. Met name kan verspreid licht storingen veroorzaken in deze apparaten en de kwaliteit aanzienlijk verminderen. Daardoor is er een gestage reeks verbeteringen geweest in de zoektocht naar het zwartste niet-reflecterende materiaal.

Deze coatings zullen helpen de ruimtevaarttechnologieën vooruit te stuwen, waar nieuwe materiaalcombinaties sterkere materialen kunnen creëren. Deze lichtgewicht materialen worden gebruikt op veel satellieten, ruimtevaartuigen en pakken. Ze worden ook vaak gebruikt in de luchtvaartsector vanwege hun veerkracht en bewezen duurzaamheid.

Op zoek naar het zwartste zwart

Naarmate precisieoptica toeneemt, groeit de vraag naar meer lichtabsorberende materialen. Tot voor kort werd een dunne zwarte film gebruikt om een lichtabsorberend niet-reflecterend materiaal te creëren in cameralenzen en andere gebogen of vreemd gevormde apparaten. ALD-coating biedt een betere oplossing die gemakkelijker kan worden aangebracht en bestand is tegen extreme omstandigheden. Het proces creëert supersuper dunne en gelijkmatige lagen die geen gebied onbedekt laten.

Problemen met de huidige coatingmaterialen en -methoden

Er zijn veel redenen waarom bestaande ultrazwarte coatingtechnieken onvoldoende zijn voor de hedendaagse high-end optische en elektronische apparaten. De meest populaire coatingtechnieken vertrouwen momenteel op coatings die fragiele materialen gebruiken, waaronder verticaal uitgelijnde koolstofnanobuizen of zwart silicium. Deze materialen kunnen harde omgevingen niet weerstaan zonder snel te degraderen. Ze zijn bovendien duur en moeilijk te produceren.

Bovendien is het moeilijk om deze coatings op ingewikkelde structuren aan te brengen. Omdat ongelijke toepassing leidt tot minder duurzaamheid en verminderde prestaties, hebben meer onderzoekers zich ingezet om meer absorberende alternatieven te creëren. Naarmate lenzen en andere optische apparaten complexer worden, wordt het cruciaal om beter onderzoek te doen en betere methoden te ontwikkelen voor het gelijkmatig aanbrengen van niet-reflecterend lichtabsorberend materiaal.

Introductie van Atomische Laag Depositie (ALD)

Atomische Laag Depositie (ALD) helpt vele van de belangrijkste problemen op te lossen die fabrikanten en onderzoekers ondervinden met betrekking tot coatings. Het proces maakt gebruik van vacuüm afgesloten kamers waarin gas wordt gepompt en een dunne laag op het oppervlak achterlaat. Deze methode wordt filmgroei genoemd en biedt fabrikanten een eenvoudige manier om complexe materialen te maken met behulp van lagen.

De ALD-methode leverde indrukwekkende resultaten op met een test waaruit bleek dat 99,3% van het licht werd geabsorbeerd door dit ultrazwarte materiaal. Deze verbeteringen komen voort uit de meer uniforme filmdekking en het gebruik van nieuwe lichtabsorberende materialen. Concreet introduceren de onderzoekers een nieuwe methode die twee lagen gebruikt om de duurzaamheid te verbeteren.

De basislaag maakt gebruik van een titanium‑aluminium‑koolstofcomposiet (TiAlC). Deze samenstelling heeft ultralichte absorberende eigenschappen en kan bestand zijn tegen intensief gebruik in harde omgevingen, inclusief de ruimte. De tweede laag gebruikt een diëlektrisch materiaal, silicium‑nitride (SiO2), dat ideaal is voor het voorkomen van reflecties. Samen kunnen deze lagen 99,3% van het licht absorberen over een breed scala aan golflengten.

Geschiedenis van ALD

Het idee om ALD te gebruiken voor het aanbrengen van dunne coatings bestaat al meer dan 60 jaar. Interessant genoeg claimden twee uitvinders de ontdekking van de technologie. Deze onafhankelijke inspanningen benaderden het proces op verschillende manieren, maar bereikten dezelfde resultaten: een atomair dunne coatinglaag.

In de jaren zestig voltooiden Sovjet‑onderzoekers deze taak met een proces dat moleculaire laagvorming werd genoemd. De ontdekking werd niet onmiddellijk erkend in het Westen, aangezien het politieke klimaat gespannen was na het einde van de Tweede Wereldoorlog. Echter, veel onderzoekers realiseerden zich al vroeg dat deze technologie cruciaal zou zijn voor de apparaten van de volgende generatie.

Tien jaar later gebruikte een Fins onderzoeksteam onder leiding van Dr. Tuomo Suntola met succes een nieuwe methode genaamd atomische laag epitaxie om dunne, gelijkmatige lagen lichtabsorberend materiaal op apparaten aan te brengen. Deze methode was een onmiddellijke hit bij fabrikanten, waardoor Finland decennialang een centrum voor ALD‑ontwikkeling werd.

Vanaf dat moment bleef de ALD‑wetenschap zich uitbreiden met doorbraken op het gebied van fotovoltaïsche cellen, katalyse, de productie van halfgeleiders en meer. Vandaag leven we in een wereld die omgeven is door deze technologie. Van uw smartphone tot de zonnepanelen die uw huis van stroom voorzien, ALD-processen hebben het leven van miljarden mensen verbeterd.

Indrukwekkend is dat de nieuwste processen zich zo ver hebben ontwikkeld dat ze uniforme en conformale films kunnen deponeren op complexe, 3D-objecten met atomische precisie. ALD biedt een ultradunne coating die zo dun kan zijn als één atoom. Opmerkelijk is dat de coating zo dun is dat hij als 2D kan worden beschouwd.

Toepassingen van ALD

Tegenwoordig zijn ALD-fabricageprocessen een cruciaal onderdeel van de markt. Deze dunne lagen bieden een sterke en effectieve manier om items te beschermen tegen ongewenste energiebronnen. Hieronder staan enkele van de meest opwindende manieren waarop ALD uw leven in de toekomst kan verbeteren.

Zonnecellen

Onderzoekers hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt in fotovoltaïsche technologie dankzij het gebruik van ALD om nieuwe materialen en structuren te testen. De huidige zonnepanelen zijn inefficiënt, waarbij de beste optie gemiddeld slechts +30% energieconversie bereikt. Een groot deel van deze energie gaat verloren als warmte en wordt van het oppervlak van de cellen naar de atmosfeer gereflecteerd.

ALD-zonnepanelen zouden meer licht kunnen opvangen en lekken voorkomen. Bovendien zouden ze bestand kunnen zijn tegen de zwaarste omgevingen, inclusief die op andere planeten waar ze jarenlang ruimtevaartapparaten moeten aandrijven. Daarom geloven velen dat ALD-zonnecellen de energiebron zullen zijn voor de volgende maanrover en andere ruimtevaartprojecten.

Lithiumbatterijen

Lithium‑ionbatterij (LIB) technologie levert batterijen met een hoge energiedichtheid en een lage zelfontlading. Deze batterijen vertrouwen op chemische reacties tussen het elektrolyt en de anode. Helaas verbruiken de huidige vaste elektrolyt‑interfaces (SEI) een percentage van de ionen permanent, waardoor ze inefficiënt zijn.

Het gebruik van ALD om elektronenlagen te coaten kan helpen prestatieverliezen te voorkomen en degradatie in de loop van de tijd te verminderen. ALD-processen kunnen deze taken uitvoeren omdat ze zowel dun zijn als gelijkmatig kunnen worden aangebracht zonder gaten op atomair niveau. Deze coating voorkomt ongewenste kruisbesmetting op atomair niveau.

Microchips

Microchiptechnologie blijft de wereld revolutioneren door geavanceerdere elektronica kleiner en betrouwbaarder te maken. De huidige microchip ligt lichtjaren voor op zijn voorganger, maar mist nog op veel gebieden. Ten eerste is hij zeer energie‑intensief, wat betekent dat al uw slimme apparaten samen een groot energieverbruik veroorzaken.

Erkennend het belang van energie‑duurzaamheid, heeft het Amerikaanse Department of Energy (DOE) het Argonne National Laboratory $4 miljoen toegekend om hun next‑gen ALD‑chiponderzoek te financieren. Het doel van het project is nieuwe materialen te vinden die de energiebehoefte van microchips tot wel 50‑maal kunnen verminderen. Als dit slaagt, kan de hele markt profiteren.

Een deel van de aanpak probeert de \”von Neumann‑knelpunt\” op te lossen, een term die verwijst naar de enorme hoeveelheid energie die computers verbruiken bij het verplaatsen van gegevens tussen logische en geheugenchips. Argonne zal ALD gebruiken om energie‑lage alternatieven te creëren om overmatig energieverbruik tegen te gaan voordat het te laat is.

Ruimte

Ruimteverkenning is een van de sectoren waarin ALD de afgelopen decennium een belangrijke rol heeft gespeeld. Ruimteonderzoek vereist apparaten die extreme omgevingen aankunnen die op aarde niet voorkomen. Een satelliet moet mogelijk temperaturen van +500°F aan één kant weerstaan, terwijl de andere kant van het apparaat bevroren is bij onder nul graden.

Deze extreme temperaturen en omstandigheden kunnen chaos veroorzaken in optische apparaten en elektronica. ALD biedt de beste oplossing voor deze problemen. Bovendien blijven onderzoekers de lichtabsorberende mogelijkheden uitbreiden. De hedendaagse ruimte‑optica maakt gebruik van materiaal dat ook ultraviolet en infrarood licht kan absorberen om een licht steriel milieu te bieden.

Leiders in de ALD-markt

De ALD-markt blijft groeien om te voldoen aan de toenemende vraag van elektronische fabrikanten en onderzoekers. Deze ALD-leveranciers hebben sterke strategische partnerschappen veiliggesteld en bewezen betrouwbare diensten te leveren. Hieronder staan enkele van de toonaangevende ALD-leveranciers die vandaag innovatie stimuleren.

1. Argonne

ANL Prijsgrafiek

Argonne is een bekend onderzoekscentrum dat samenwerkt met high‑tech fabrikanten, overheden en andere onderzoekers om geavanceerde coatingopties te creëren. Het bedrijf ontstond in de jaren veertig als een afsplitsing van het Manhattan‑project. Destijds werd atoomenergie gezien als de toekomst.

Sinds die tijd is Argonne uitgegroeid tot een multidisciplinair wetenschaps‑ en ingenieursonderzoekscentrum, maar richt zich nog steeds voornamelijk op energie‑duurzaamheid. De groep benut haar locatie in het centrum van Chicago om toegang te krijgen tot diverse industrieën en creativiteit te stimuleren in de markten voor energiefysica en materiaalkunde.

2. Beneq

(Privé)

In 1984 werd Beneq de eerste industriële productielijn ter wereld die ALD‑methoden in haar processen integreerde. Dit particuliere Finse bedrijf is sinds de oprichting van ALD een pionier op de markt. Tegenwoordig levert het hoogwaardige ALD‑apparatuur aan bedrijven en is het gespecialiseerd in processen voor de productie van halfgeleiders.

Beneq blijft een pionierende kracht in de ALD‑sector en is erkend als een van de meest gevestigde namen op deze lijst. De groep blijft nieuwe en innovatieve coatingoplossingen aanbieden. Daarom wordt het door velen beschouwd als een marktleider.

3. CVD Equipment

CVV Prijsgrafiek

CVD Equipment (CVV ) is een andere zeer gerespecteerde ALD-leverancier. De groep heeft een reputatie opgebouwd voor het leveren van nauwkeurige en betrouwbare apparatuur voor chemische dampdepositie en thermische processen aan de markt. Tegenwoordig bedient CVD meerdere industrieën, waaronder de auto‑ en ruimtevaartsectoren.

CVD biedt al meer dan 40 jaar diensten aan. Deze ervaring heeft het bedrijf in staat gesteld zich te positioneren als een pionierende kracht op de markt. Het heeft het bedrijf ook mogelijk gemaakt haar processen te verbeteren en te optimaliseren om de prestaties te maximaliseren.

4. Applied Materials

AMAT Prijsgrafiek

Applied Materials (AMAT ) werd een belangrijke speler op de ALD‑markt na de overname van Picosun in 2020. Destijds was Picosun een van de meest actieve ALD‑leveranciers in de industrie. Applied Materials maakte gebruik van hun ervaring en netwerk om nieuwe methoden en strategieën te ontwikkelen voor het aanbrengen van ultradunne lagen.

Tegenwoordig biedt Applied Materials ALD‑diensten aan enterprise‑klanten. Deze diensten omvatten kant‑klaar productielijnen en onderzoeksaanbiedingen. Bovendien kunnen bedrijven gebruikmaken van het advies van Applied Materials om de creatie en integratie van ALD‑diensten te stroomlijnen.

Kunstmatige Intelligentie Verbetert ALD

Een van de redenen waarom ALD de afgelopen jaren is verbeterd, is de integratie van AI‑algoritmen. Specifiek stellen machine‑learning‑algoritmen ontwikkelaars in staat om virtueel nieuwe verbindingen te creëren en te testen. Deze mogelijkheid verlaagt de R&D‑kosten aanzienlijk en stelt ontwikkelaars in staat te zien hoe bepaalde materialen interageren zonder speciale machines te hoeven gebruiken.

Machine‑learning‑algoritmen kunnen miljoenen tests uitvoeren om potentiële zwakke punten of drempels te vinden. Deze vorm van AI is zeer effectief en hoeft slechts één keer getraind te worden om taken optimaal uit te voeren. Bovendien zouden leermodellen van neurale netwerken AI in staat kunnen stellen om zelf nieuwe materialen aan te bevelen en testen en ontwikkeling uit te voeren.

AI‑simulatie is om vele redenen een game‑changer. Ten eerste maken deze tests het mogelijk om creaties tot het uiterste te testen zonder items in de echte wereld te beschadigen. Ontwikkelaars kunnen alles virtueel creëren, testen en aanpassen voordat er financiering wordt geïnvesteerd in productiemethoden. Op deze manier kan AI de sleutel zijn tot het ontsluiten van nieuwe niveaus van veerkracht en toepassingsmethoden in de toekomst.

Uitbreiding van de ALD-markt

De ALD-markt groeit, met rapporten die aantonen dat in 2023 meer dan $4,46 mrd aan omzet werd gegenereerd uit de verkoop van ALD‑apparatuur. Dezelfde gegevens wijzen op een aanzienlijk groeipotentieel in de toekomst, met een voorspelde CAGR van 8,90% voor het komende decennium alleen al in de Amerikaanse markt.

Het rapport toont ook aan dat de toegenomen vraag het gevolg is van de voortdurende miniaturisatie van elektronische apparaten en verbeterde fabricageprocessen. Nieuwere processen verbeteren de kwaliteit en verlagen de toepassingskosten. Hetzelfde rapport laat bovendien zien hoe de groeiende vraag naar zonnepanelen een extra katalysator is voor de uitbreiding van ALD.

Het kan altijd nog zwartser worden

De wetenschap van het creëren van het zwartste materiaal zal blijven evolueren en innovatie stimuleren in alle wetenschapssectoren. Van high‑end optische apparaten tot ruimteverkenning en het opvangen van zonnestralen, ALD‑technologieën staan ​​aan de voorhoede van innovatie. Om deze redenen is het verstandig om de komende maanden een oogje in het zeil te houden bij deze bedrijven.

U kunt meer leren over spannende blockchain‑projecten hier.