Atomic Layer Deposition (ALD) brukt til å lage ultramørkt belegg perfekt for å observere kosmos

Forskere fra University of Shanghai for Science and Technology og Chinese Academy of Sciences oppnådde et viktig milepæl etter å ha lykkes med å bruke en ny metode for Atomic Layer Deposition (ALD) for å påføre et ultramørkt belegg på en ujevn overflate. Det oppgraderte belegget er mer robust og effektivt enn sine forgjengere. Dermed kan utviklingen ha store konsekvenser for flere industrier, inkludert optikk, romforskning, fornybar energi og mye mer. Her er det du trenger å vite.

Forskerne har publisert sine funn og forklart i detalj hvordan de laget et holdbart ultramørkt tynnfilmbelegg spesielt designet for magnesiumlegeringer av romfartsstandard. Disse legeringene brukes ofte i romforskning, hvor vekt og holdbarhet er viktige faktorer.

Kilde – Photonexpert – Atomic Layer Deposition (ALD) oppfinner Dr. Tuomo Suntola

De som ikke er kjent med prosessen som brukes til å lage høyteknologiske enheter og optikk, kan ha vanskelig for å forstå den viktige betydningen av å finne et ikke-reflekterende svart materiale. Merk at spredt lys kan forårsake forstyrrelser i disse enhetene og betydelig redusere kvaliteten. Derfor har det vært en jevn utvikling i jakten på det svarteste ikke-reflekterende materialet.

Disse beleggene vil bidra til å fremme romfartsteknologier hvor nye materialkombinasjoner kan skape sterkere materialer. Disse lette materialene finnes på mange satellitter, romfartøy og drakter. De brukes også ofte i luftfartssektoren på grunn av sin robusthet og dokumenterte holdbarhet.

I søken etter den svarteste svarte

Etter hvert som presisjonsoptikk blir stadig mer avansert, øker etterspørselen etter mer lysabsorberende materialer. Inntil nylig ble en tynn svart film brukt for å lage et lysabsorberende, ikke-reflekterende materiale i kameralinser og andre buede eller uvanlige enheter. ALD-belegg gir en bedre løsning som kan påføres enklere og er motstandsdyktig mot ekstreme forhold. Prosessen skaper supertynne og jevne lag som etterlater ingen områder urørt.

Problemer med dagens beleggmaterialer og metoder

Det finnes mange grunner til at eksisterende ultramørke beleggsteknikker er utilstrekkelige for dagens avanserte optiske og elektroniske enheter. De mest populære beleggmetodene i dag baserer seg på materialer som er skjøre, inkludert vertikalt justerte karbonnanorør eller svart silisium. Disse materialene tåler ikke harde miljøer uten å raskt forringes. De er også dyre og vanskelige å fremstille.

I tillegg er det vanskelig å påføre disse beleggene på kompliserte strukturer. Ujevn påføring gir lavere holdbarhet og redusert ytelse, så flere forskere har viet innsats til å utvikle mer absorberende alternativer. Etter hvert som linser og andre optiske enheter blir mer komplekse, blir det kritisk å forske på og skape bedre metoder for jevn påføring av ikke-reflekterende lysabsorberende materiale.

Inn med Atomic Layer Deposition (ALD)

Atomic Layer Deposition (ALD) bidrar til å løse mange av hovedproblemene som produsenter og forskere møter når det gjelder belegg. Prosessen baserer seg på vakuumforseglede rom hvor gass pumpes inn og etterlater et tynt lag på overflaten. Denne metoden kalles filmvekst og gir produsenter en enkel måte å lage komplekse materialer ved hjelp av lag.

ALD-metoden ga imponerende resultater med en test som viste at 99,3 % av lyset ble absorbert av dette ultramørke materialet. Forbedringene skyldes den mer uniforme filmdekningen og bruken av nye lysabsorberende materialer. Spesielt introduserer forskerne en ny metode som bruker to lag for å forbedre holdbarheten.

Grunnlaget bruker en titan‑aluminium‑karbon‑kompositt (TiAlC). Denne sammensetningen har ultralette absorpsjonsegenskaper og kan tåle tung bruk i harde miljøer, inkludert i verdensrommet. Det andre laget bruker et dielektrisk materiale, silisium nitrid (SiO2), som er ideelt for å forhindre refleksjoner. Sammen kan disse lagene absorbere 99,3 % av lyset over et spekter av bølgelengder.

Historien til ALD

Ideen om å bruke ALD for å påføre tynne belegg har eksistert i over 60 år. Interessant nok hevdet to oppfinnere å ha oppdaget teknologien. Disse uavhengige innsatsene gikk frem på forskjellige måter, men oppnådde samme resultat: et atomtynt lag med belegg.

På 1960‑tallet klarte sovjetiske forskere dette ved hjelp av en prosess kalt molekylær lagdeling. Oppdagelsen ble ikke umiddelbart anerkjent i vesten da det politiske klimaet var spent etter slutten av andre verdenskrig. Likevel innså mange forskere tidlig at denne teknologien ville bli avgjørende for neste generasjons enheter.

Et tiår senere brukte et finsk forskerteam ledet av Dr. Tuomo Suntola med suksess en ny metode kalt atomic layer epitaxy for å levere tynne, jevne lag av lysabsorberende materiale til enheter. Metoden ble umiddelbart populær blant produsenter, og gjorde Finland til et sentrum for ALD-utvikling i flere tiår.

Derfra fortsatte ALD-forskningen å vokse med gjennombrudd innen fotovoltaikk, katalyse, produksjon av halvledere og mer. I dag lever du i en verden omringet av denne teknologien. Fra smarttelefonen din til solcellepanelene som forsyner hjemmet ditt, har ALD-prosesser forbedret livet til milliarder.

Imponerende er at de nyeste prosessene har utviklet seg til punktet hvor de kan avsette uniforme og konforme filmer på komplekse, 3D‑objekter med atompresisjon. ALD tilbyr et ultratynt belegg som kan være så tynt som ett atom. Merk at belegget er så tynt at det kan betraktes som 2D.

Bruksområder for ALD

I dag er ALD‑produksjonsprosesser en viktig komponent i markedet. Disse tynne lagene gir en sterk og effektiv måte å beskytte gjenstander mot uønskede energikilder. Her er noen av de mest spennende måtene ALD kan forbedre livet ditt på i fremtiden.

Solceller

Forskere har gjort betydelige fremskritt innen fotovoltaikk takket være bruk av ALD‑teknologi for å teste nye materialer og strukturer. Dagens solpaneler er ineffektive, med det beste alternativet som kun gir rundt 30 % energikonvertering i gjennomsnitt. Mye av denne energien går tapt som varme og reflekteres fra cellenes overflate inn i atmosfæren.

ALD‑solpaneler kan fange mer lys og forhindre lekkasjer. I tillegg kan de konstrueres for å tåle de tøffeste miljøene, inkludert de som finnes på andre planeter hvor de vil måtte drive romforskningseksperimenter i flere år. Derfor tror mange at ALD‑solceller vil være drivkraften bak neste månelandingsrover og andre romprosjekter.

Litiumbatterier

Lithium‑ion‑batteriteknologi (LIB) gir høy energitetthet og lav selvutladning. Disse batteriene er avhengige av kjemiske reaksjoner mellom elektrolytten og anoden. Dessverre forbruker de nåværende faste elektrolyttgrensesnittene (SEI) en prosentandel av ionene permanent, noe som gjør dem sløsende.

Ved å bruke ALD til å belegge elektronskikt kan man forhindre ytelsestap og redusere nedbrytning over tid. ALD‑prosesser kan utføre dette fordi de er både tynne og kan påføres jevnt uten hull i overflaten på atomnivå. Dette belegget hindrer uønsket krysskontaminering på atomnivå.

Mikrobrikker

Mikrobrikketeknologi fortsetter å revolusjonere verden ved å gjøre mer avansert elektronikk mindre og mer pålitelig. Den nåværende mikrobrikken er lysår foran forgjengeren, men mangler fortsatt på flere områder. For det første er den svært energikrevende, noe som betyr at alle dine smarte enheter samlet bruker mye energi.

Med anerkjennelse av viktigheten av energibærekraft, tildelte USAs energidepartement (DOE) Argonne National Laboratory $4 millioner for å finansiere deres neste generasjons ALD‑brikkeforskning. Målet med prosjektet er å finne nye materialer som kan redusere mikrobrikkens energibehov med opptil 50‑fold. Hvis det lykkes, kan hele markedet dra nytte av dette.

En del av tilnærmingen søker å løse “von Neumann-flaskehalsen”, et begrep som refererer til den enorme energien som datamaskiner bruker på å flytte data mellom logikk- og minnebrikker. Argonne vil bruke ALD til å skape lavenergi‑alternativer for å bekjempe overdreven energiforbruk før det er for sent.

Romfart

Romforskning er en av sektorene hvor ALD har spilt en betydelig rolle det siste tiåret. Romforskning krever enheter som kan håndtere ekstreme miljøer som er ulikt alt på jorden. En satellitt kan måtte tåle temperaturer på +500 °F på den ene siden, mens den andre siden av enheten fryser ved under null grader.

Disse ekstreme temperaturene og forholdene kan forårsake kaos i optiske enheter og elektronikk. ALD gir den beste løsningen på disse problemene. I tillegg fortsetter forskere å utvide dets lysabsorberende egenskaper. Dagens romoptikk er avhengig av materialer som også kan absorbere ultrafiolett og infrarødt lys for å skape et sterilt lysmiljø.

Markedsledere innen ALD

ALD‑markedet fortsetter å vokse for å møte den økende etterspørselen fra elektronikkprodusenter og forskere. Disse ALD‑leverandørene har sikret sterke strategiske partnerskap og har vist seg å levere pålitelige tjenester. Her er noen av de fremste ALD‑leverandørene som driver innovasjon i dag.

1. Argonne

ANL Prisdiagram

Argonne er et populært forskningssenter som samarbeider med høyteknologiske produsenter, myndigheter og andre forskere for å skape avanserte beleggsløsninger. Selskapet ble etablert på 1940‑tallet som en avlegger av Manhattan‑prosjektet. På den tiden ble atomenergi sett på som fremtiden.

Siden den gang har Argonne blitt et tverrfaglig vitenskaps‑ og ingeniørforskningssenter, men fokuserer fortsatt hovedsakelig på energibærekraft. Gruppen utnytter sin beliggenhet i sentrum av Chicago for å få tilgang til ulike industrier og fremme kreativitet innen energifysikk og materialvitenskap.

2. Beneq

(Private)

I 1984 ble Beneq verdens første industrielle produksjonslinje som integrerte ALD‑metoder i sine prosesser. Dette private, finske selskapet har vært en pioner i markedet siden ALD ble oppfunnet. I dag leverer de høykvalitets ALD‑utstyr til bedrifter og spesialiserer seg på produksjonsprosesser for halvledere.

Beneq forblir en pioner innen ALD‑sektoren og har blitt anerkjent som et av de mest etablerte navnene på denne listen. Gruppen fortsetter å tilby nye og innovative beleggsløsninger. Derfor ser mange på dem som en markedsleder.

3. CVD Equipment

CVV Prisdiagram

CVD Equipment (CVV ) er en annen anerkjent ALD‑leverandør. Gruppen har opparbeidet seg et rykte for å levere presist og pålitelig utstyr for kjemisk dampavsetning og termiske prosesser til markedet. I dag betjener CVD flere industrier, inkludert bil- og romfartssektoren.

CVD har tilbudt tjenester i over 40 år. Denne erfaringen har gjort det mulig for selskapet å posisjonere seg som en pioner i markedet. Den har også gjort det mulig for selskapet å forbedre og optimalisere prosessene for å maksimere ytelsen.

4. Applied Materials

AMAT Prisdiagram

Applied Materials (AMAT ) ble en viktig aktør i ALD‑markedet etter å ha kjøpt opp Picosun i 2020. På den tiden var Picosun en av de mest aktive ALD‑leverandørene i bransjen. Applied Materials utnyttet sin erfaring og sitt nettverk til å innovere nye metoder og strategier for påføring av ultratynne lag.

I dag tilbyr Applied Materials ALD‑tjenester til bedriftskunder. Disse tjenestene inkluderer nøkkelferdige produksjonslinjer og forskningsmuligheter. I tillegg kan bedrifter benytte Applied Materials‑konsultasjon for å effektivisere opprettelse og integrering av ALD‑tjenester.

Kunstig intelligens forbedrer ALD

En av grunnene til at ALD har forbedret seg de siste årene, er integreringen av AI‑algoritmer. Spesielt gjør maskinlæringsalgoritmer det mulig for utviklere å skape og teste nye forbindelser virtuelt. Denne evnen reduserer forsknings‑ og utviklingskostnadene betydelig og gjør det mulig for utviklere å se hvordan visse materialer samhandler uten behov for spesialmaskiner.

Maskinlæringsalgoritmer kan kjøre millioner av tester for å finne potensielle svake punkter eller terskler. Denne typen AI er svært effektiv og krever kun én opplæring for å utføre oppgaver optimalt. I tillegg kan lærende nevrale nettverk la AI anbefale nye materialer og utføre testing og utvikling på egen hånd.

AI‑simulering er en spillveksler av mange grunner. For det første gjør disse testene det mulig å teste skapelsene sine til det ytterste uten å skade fysiske gjenstander. Utviklere kan skape, teste og justere alt virtuelt før de investerer i produksjonsmetoder. På denne måten kan AI bli nøkkelen til å låse opp nye nivåer av robusthet og anvendelsesmetoder i fremtiden.

ALD-markedets ekspansjon

ALD‑markedet er i vekst, med rapporter som viser at over 4,46 milliarder dollar i inntekter ble generert fra salg av ALD‑utstyr i 2023. De samme dataene peker på betydelig vekstpotensial i fremtiden, med en forventet CAGR på 8,90 % i løpet av det neste tiåret kun i det amerikanske markedet.

Rapporten viser også at den økte etterspørselen skyldes den fortsatte miniaturiseringen av elektroniske enheter og forbedrede produksjonsprosesser. Nyere prosesser forbedrer kvaliteten og reduserer påføringskostnadene. Den samme rapporten viser også hvordan økt etterspørsel etter solcellepaneler er en annen katalysator for ALD‑ekspansjon.

Den kan alltid bli svartere

Vitenskapen om å skape det svarteste materialet vil fortsette å utvikle seg og drive innovasjon på tvers av vitenskapssektorer. Fra avanserte optiske enheter til romforskning og innsamling av solstråler, er ALD‑teknologier i frontlinjen av innovasjon. Av disse grunner er det lurt å holde øye med disse selskapene i de kommende månedene.

Du kan lære mer om spennende blockchain-prosjekter her.