Deposição de Camada Atômica (ALD) Usada para Criar Revestimento Ultranegro Perfeito para Observação do Cosmos

Pesquisadores da Universidade de Xangai de Ciência e Tecnologia e da Academia Chinesa de Ciências alcançaram um marco importante ao utilizarem com sucesso um novo método de Deposição de Camada Atômica (ALD) para aplicar um revestimento ultranegro em uma superfície irregular. O revestimento aprimorado é mais resistente e eficaz que seus predecessores. Dessa forma, o desenvolvimento pode ter grandes implicações para várias indústrias, incluindo óptica, exploração espacial, energia renovável e muito mais. Veja o que você precisa saber.

Os pesquisadores publicaram suas descobertas e explicaram em detalhes como criaram um revestimento de filme fino ultranegro durável, projetado especificamente para ligas de magnésio de grau aeroespacial. Essas ligas são comumente usadas na exploração espacial, onde peso e durabilidade são preocupações principais.

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

Aqueles que não estão familiarizados com o processo usado para criar dispositivos de alta tecnologia e óptica podem não entender a importância vital de encontrar um material preto não refletivo. Notavelmente, a luz indesejada pode causar interrupções nesses dispositivos e reduzir significativamente a qualidade. Consequentemente, tem havido uma linha constante de melhorias na busca pelo material preto não refletivo mais escuro.

Esses revestimentos ajudarão a avançar as tecnologias aeroespaciais, onde novas combinações de materiais podem criar materiais mais fortes. Esses materiais leves são encontrados em muitos satélites, espaçonaves e trajes. Eles também são comumente usados no setor aeronáutico devido à sua resiliência e durabilidade comprovada.

Em Busca do Preto Mais Negro

À medida que a óptica de precisão continua a avançar, a demanda por materiais mais absorventes de luz aumenta. Até recentemente, um filme preto fino era usado para criar um material não refletivo que absorvia luz dentro de lentes de câmera e outros dispositivos curvos ou de formas incomuns. O revestimento ALD oferece uma solução melhor, que pode ser aplicada com mais facilidade e é resistente a condições extremas. O processo cria camadas super finas e uniformes que não deixam áreas sem cobertura.

Problemas com os Materiais e Métodos de Revestimento Atuais

Existem muitas razões pelas quais as técnicas de revestimento ultranegro existentes são insuficientes para os dispositivos ópticos e eletrônicos de alta qualidade de hoje. As técnicas de revestimento mais populares atualmente dependem de revestimentos que utilizam materiais frágeis, incluindo nanotubos de carbono alinhados verticalmente ou silício negro. Esses materiais não suportam ambientes adversos sem se degradarem rapidamente. Além disso, são caros e difíceis de produzir.

Além disso, é difícil aplicar esses revestimentos a estruturas complicadas. Como a aplicação desigual resulta em menor durabilidade e desempenho reduzido, mais pesquisadores têm dedicado esforços à criação de alternativas mais absorventes. À medida que lentes e outros dispositivos ópticos se tornam mais complexos, torna-se crucial pesquisar e criar melhores maneiras de aplicar uniformemente material não refletivo que absorva luz.

Apresentando a Deposição de Camada Atômica (ALD)

A Deposição de Camada Atômica (ALD) ajuda a resolver muitas das principais questões enfrentadas por fabricantes e pesquisadores em relação aos revestimentos. O processo depende de salas seladas a vácuo onde o gás é introduzido e deixa uma camada fina na superfície. Esse método, chamado crescimento de filme, oferece aos fabricantes uma maneira fácil de criar materiais complexos usando camadas.

O método ALD produziu resultados impressionantes em um teste que mostrou que 99,3% da luz foi absorvida por este material ultranegro. Essas melhorias provêm da cobertura de filme mais uniforme e do uso de novos materiais absorventes de luz. Especificamente, os pesquisadores introduziram um novo método que utiliza duas camadas para melhorar a durabilidade.

A camada base utiliza um compósito de titânio–alumínio–carbono (TiAlC). Essa composição possui qualidades ultraleves de absorção e pode suportar uso intenso em ambientes adversos, incluindo o espaço. A segunda camada usa um material dielétrico, nitreto de silício (SiO2), que é ideal para prevenir reflexões. Juntas, essas camadas podem absorver 99,3% da luz em uma ampla gama de comprimentos de onda.

História da ALD

A ideia de usar ALD para aplicar revestimentos finos existe há mais de 60 anos. Curiosamente, dois inventores reivindicaram a descoberta da tecnologia. Esses esforços independentes abordaram o processo de maneira diferente, mas obtiveram o mesmo resultado: uma camada de revestimento atômica e fina.

Na década de 1960, pesquisadores soviéticos concluíram essa tarefa usando um processo chamado camadas moleculares. A descoberta não foi imediatamente reconhecida no Ocidente, pois o clima político era tenso após o fim da Segunda Guerra Mundial. No entanto, muitos pesquisadores perceberam cedo que essa tecnologia seria fundamental para os dispositivos de próxima geração.

Uma década depois, uma equipe de pesquisa finlandesa liderada pelo Dr. Tuomo Suntola utilizou com sucesso um novo método chamado epitaxia de camada atômica para fornecer revestimentos finos e uniformes de material absorvente de luz em dispositivos. Esse método foi um sucesso imediato entre os fabricantes, levando a Finlândia a se tornar um centro de desenvolvimento de ALD por décadas.

A partir daí, a ciência da ALD continuou a se expandir com avanços em fotovoltaica, catálise, fabricação de semicondutores e muito mais. Hoje, você vive em um mundo cercado por essa tecnologia. Desde seu smartphone até os painéis solares que alimentam sua casa, os processos de ALD melhoraram a vida de bilhões de pessoas.

Impressionantemente, os processos mais recentes evoluíram a ponto de depositar filmes uniformes e conformes em objetos complexos e 3D com precisão atômica. A ALD oferece um revestimento ultrafino que pode chegar a apenas um átomo de espessura. Notavelmente, o revestimento é tão fino que pode ser considerado 2D.

Usos da ALD

Hoje, os processos de fabricação de ALD são um componente crucial do mercado. Essas camadas finas fornecem uma forma forte e eficaz de proteger itens de fontes de energia indesejadas. Aqui estão algumas das maneiras mais empolgantes pelas quais a ALD pode melhorar sua vida no futuro.

Células Solares

Os pesquisadores fizeram avanços significativos em fotovoltaica graças ao uso da tecnologia ALD para testar novos materiais e estruturas. Os painéis solares atuais são ineficientes, com a melhor opção alcançando apenas cerca de 30% de conversão de energia. Grande parte dessa energia se perde em calor e é refletida da superfície das células para a atmosfera.

Painéis solares ALD poderiam capturar mais luz e evitar vazamentos. Além disso, poderiam ser fabricados para suportar os ambientes mais adversos, incluindo aqueles encontrados em outros planetas, onde seriam necessários para operar dispositivos de exploração espacial por anos. Dessa forma, muitos acreditam que as células solares ALD serão o que alimentará o próximo rover lunar e outras missões espaciais.

Baterias de Lítio

A tecnologia de baterias de íon de lítio (LIB) oferece alta densidade de energia e baixa autodescarga. Essas baterias dependem de reações químicas que ocorrem entre o eletrólito e o ânodo. Infelizmente, as interfaces de eletrólito sólido (SEI) atuais consomem uma porcentagem dos íons permanentemente, tornando-as desperdiçadoras.

Usar ALD para revestir camadas eletrônicas pode ajudar a prevenir perdas de desempenho e reduzir a degradação ao longo do tempo. Os processos de ALD podem realizar essas tarefas porque são finos e podem ser aplicados uniformemente sem furos na superfície em nível atômico. Esse revestimento impede a contaminação cruzada indesejada em nível atômico.

Microchips

A tecnologia de microchips continua a revolucionar o mundo ao tornar eletrônicos mais avançados menores e mais confiáveis. O microchip atual está a anos-luz de distância de seu predecessor, mas ainda apresenta deficiências em vários aspectos. Por exemplo, ele consome muita energia, o que significa que todos os seus dispositivos inteligentes somam um grande consumo de energia.

Reconhecendo a importância da sustentabilidade energética, o Departamento de Energia dos EUA (DOE) concedeu ao Laboratório Nacional Argonne, do DOE, US$ 4 milhões para financiar sua pesquisa de chips de próxima geração com ALD. O objetivo do projeto é encontrar novos materiais que possam reduzir os requisitos de energia dos microchips em até 50 vezes. Se bem-sucedido, todo o mercado poderia se beneficiar.

Parte da abordagem busca resolver o “gargalo de von Neumann“, termo que se refere à enorme quantidade de energia usada pelos computadores ao mover dados entre chips de lógica e memória. Argonne usará ALD para criar alternativas de baixa energia a fim de combater o consumo excessivo antes que seja tarde demais.

Espaço

A exploração espacial é um dos setores nos quais a ALD desempenhou um papel significativo na última década. A pesquisa espacial requer dispositivos que possam lidar com ambientes adversos diferentes de tudo na Terra. Um satélite pode precisar suportar temperaturas de +500°F em um lado, enquanto o outro lado do dispositivo está congelando em temperaturas abaixo de zero.

Essas temperaturas e condições extremas podem causar estragos em dispositivos ópticos e eletrônicos. A ALD oferece a melhor solução para esses problemas. Além disso, os pesquisadores continuam a expandir suas capacidades de absorção de luz. A óptica espacial atual depende de materiais que também podem absorver luz ultravioleta e infravermelha para proporcionar um ambiente estéril de luz.

Líderes de Mercado da ALD

O mercado de ALD continua a se expandir para atender à crescente demanda de fabricantes eletrônicos e pesquisadores. Esses provedores de ALD garantiram parcerias estratégicas sólidas e provaram oferecer serviços confiáveis. Aqui estão apenas alguns dos principais provedores de ALD que impulsionam a inovação hoje.

1. Argonne

ANL Gráfico de preços

Argonne é um centro de pesquisa popular que trabalha com fabricantes de alta tecnologia, governos e outros pesquisadores para criar opções avançadas de revestimento. A empresa surgiu na década de 1940 como um desdobramento do Projeto Manhattan. Na época, a energia atômica era vista como o futuro.

Desde então, Argonne se tornou um centro de pesquisa multidisciplinar em ciência e engenharia, mas ainda foca principalmente na sustentabilidade energética. O grupo aproveita sua localização no centro de Chicago para acessar uma variedade de indústrias e impulsionar a criatividade nos mercados de física da energia e ciência dos materiais.

2. Beneq

(Private)

Em 1984, a Beneq se tornou a primeira linha de produção industrial do mundo a integrar métodos ALD em seus processos. Esta empresa finlandesa de propriedade privada tem sido pioneira no mercado desde a criação da ALD. Hoje, fornece equipamentos ALD de alta qualidade para empresas e se especializa em processos de fabricação de semicondutores.

A Beneq continua sendo uma força pioneira no setor de ALD e foi reconhecida como um dos nomes mais estabelecidos nesta lista. O grupo continua a oferecer soluções de revestimento novas e inovadoras. Como tal, muitos a consideram líder de mercado.

3. CVD Equipment

CVV Gráfico de preços

CVD Equipment (CVV ) é outro fornecedor de ALD bem respeitado. O grupo ganhou reputação por fornecer equipamentos precisos e confiáveis de deposição química de vapor e processos térmicos ao mercado. Hoje, a CVD atende a múltiplas indústrias, incluindo os setores automotivo e aeroespacial.

A CVD tem oferecido serviços por mais de 40 anos. Essa experiência permitiu que a empresa se posicionasse como uma força pioneira no mercado. Também possibilitou à empresa aprimorar e otimizar seus processos para maximizar o desempenho.

4. Applied Materials

AMAT Gráfico de preços

A Applied Materials (AMAT ) se tornou um grande player no mercado de ALD após adquirir a Picosun em 2020. Na época, a Picosun era um dos provedores de ALD mais ativos da indústria. A Applied Materials aproveitou sua experiência e rede para inovar novos métodos e estratégias para aplicar camadas ultrafinas.

Hoje, a Applied Materials oferece serviços de ALD para clientes de nível empresarial. Esses serviços incluem linhas de produção turnkey e ofertas de pesquisa. Além disso, as empresas podem aproveitar a consultoria da Applied Materials para ajudar a simplificar a criação e integração de serviços de ALD.

Inteligência Artificial Melhora a ALD

Um dos motivos pelos quais a ALD melhorou nos últimos anos é a integração de algoritmos de IA. Especificamente, algoritmos de aprendizado de máquina permitem que desenvolvedores criem e testem novos compostos virtualmente. Essa capacidade reduz significativamente os custos de P&D e permite que os desenvolvedores vejam como certos materiais interagem sem precisar de máquinas especiais para realizar a tarefa.

Algoritmos de aprendizado de máquina podem executar milhões de testes para encontrar potenciais pontos fracos ou limites. Esse estilo de IA é muito eficaz e requer apenas um treinamento inicial para concluir tarefas de forma otimizada. Além disso, redes neurais de aprendizado podem fazer com que a IA recomende novos materiais e conduza testes e desenvolvimento de forma autônoma.

A simulação de IA é um divisor de águas por várias razões. Primeiro, esses testes permitem avaliar criações até o limite absoluto sem danificar itens no mundo real. Os desenvolvedores podem criar, testar e reajustar tudo virtualmente antes de investir em métodos de fabricação. Dessa forma, a IA pode ser a chave para desbloquear novos níveis de resiliência e métodos de aplicação no futuro.

Expansão do Mercado de ALD

O mercado de ALD está em ascensão, com relatórios mostrando que mais de US$ 4,46 bilhões em receita foram gerados pela venda de equipamentos de ALD em 2023. Os mesmos dados destacam um potencial de crescimento significativo no futuro, com um CAGR de 8,90% previsto para a próxima década apenas no mercado dos EUA.

O relatório também mostra que o aumento da demanda é resultado da contínua miniaturização dos dispositivos eletrônicos e da melhoria dos processos de fabricação. Processos mais recentes melhoram a qualidade e reduzem os custos de aplicação. O mesmo relatório ainda demonstra como a crescente demanda por painéis solares é outro catalisador para a expansão da ALD.

Pode Sempre Ficar Mais Negro

A ciência de criar o material mais negro continuará a evoluir e impulsionar a inovação em todos os setores científicos. Desde dispositivos ópticos de alta qualidade até a exploração espacial e a captura de raios solares, as tecnologias de ALD estão na vanguarda da inovação. Por essas razões, é inteligente ficar de olho nessas empresas nos próximos meses.

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