Atomic Layer Deposition (ALD) Används för att Skapa Ultramörkt Beläggning Perfekt för Att Titta på Kosmos

Forskare från University of Shanghai for Science and Technology och Chinese Academy of Sciences uppnådde ett stort genombrott efter att framgångsrikt ha använt en ny metod för Atomic Layer Deposition (ALD) för att applicera en ultramörk beläggning på en ojämn yta. Den förbättrade beläggningen är mer hållbar och effektiv än sina föregångare. Därför kan utvecklingen få stora konsekvenser för flera industrier, inklusive optik, rymdforskning, förnybar energi och mycket mer. Här är vad du behöver veta.

Forskarna har publicerat sina resultat och förklarat i detalj hur de skapade en hållbar ultramörk tunnfilm-beläggning som är specifikt utformad för magnesiumlegeringar av rymdkvalitet. Dessa legeringar används ofta i rymdforskning, där vikt och hållbarhet är stora bekymmer.

Källa – Photonexpert – Atomic Layer Deposition (ALD) Uppfinnare Dr. Tuomo Suntola

De som inte är bekanta med processen som används för att skapa högteknologiska enheter och optik kanske inte förstår den avgörande betydelsen av att hitta ett icke-reflekterande svart material. Speciellt kan oönskat ljus orsaka störningar i dessa enheter och avsevärt minska kvaliteten. Följaktligen har det skett en stadig utveckling i jakten på det svartaste icke-reflekterande materialet.

These coatings will help to advance aerospace technologies where new material combinations can create stronger materials. These lightweight materials are found on many satellites, spacecraft, and suits. They are also commonly used in the aeronautical sector due to their resilience and proven durability.

I jakten på det svartaste svarta

Allteftersom precisionsoptik fortsätter att utvecklas ökar efterfrågan på mer ljusabsorberande material. Fram till nyligen användes en tunn svart film för att skapa ett ljusabsorberande icke-reflekterande material i kameralinser och andra krökta eller ovanligt formade enheter. ALD-beläggning erbjuder en bättre lösning som kan appliceras enklare och är motståndskraftig mot extrema förhållanden. Processen skapar supersmala och jämna lager som lämnar inga områden orörda.

Problem med nuvarande beläggningsmaterial och metoder

Det finns många anledningar till att befintliga ultramörka beläggningstekniker är otillräckliga för dagens högkvalitativa optiska och elektroniska enheter. De mest populära beläggningsteknikerna förlitar sig för närvarande på material som är sköra, inklusive vertikalt inriktade kolnanorör eller svart kisel. Dessa material kan inte stå emot hårda miljöer utan att snabbt försämras. De är dessutom dyra och svåra att producera.

Dessutom är det svårt att applicera dessa beläggningar på komplicerade strukturer. Eftersom ojämn applicering leder till lägre hållbarhet och minskad prestanda har fler forskare ägnat sig åt att skapa mer absorberande alternativ. När linser och andra optiska enheter blir mer komplexa blir det kritiskt att forska och utveckla bättre metoder för jämn applicering av icke-reflekterande ljusabsorberande material.

Introduktion av Atomic Layer Deposition (ALD)

Atomic Layer Deposition (ALD) hjälper till att lösa många av de huvudsakliga problemen som tillverkare och forskare möter när det gäller beläggningar. Processen bygger på vakuumförseglade rum där gas pumpas in och lämnar ett tunt lager på ytan. Denna metod kallas filmväxt och ger tillverkare ett enkelt sätt att skapa komplexa material med lager.

ALD-metoden gav imponerande resultat i ett test som visade att 99,3 % av ljuset absorberades av detta ultramörka material. Förbättringarna beror på den mer jämna filmtäckningen och användningen av nya ljusabsorberande material. Specifikt introducerade forskarna en ny metod som använder två lager för att förbättra hållbarheten.

Baslagret använder en titan‑aluminium‑kolkomposit (TiAlC). Denna sammansättning har ultralätt absorberande egenskaper och kan stå emot tung användning i hårda miljöer, inklusive rymden. Det andra lagret använder ett dielektriskt material, kiselkarbid (SiO2), som är idealiskt för att förhindra reflektioner. Tillsammans kan dessa lager absorbera 99,3 % av ljuset över ett brett spektrum av våglängder.

Historia om ALD

Idén att använda ALD för att applicera tunna beläggningar har funnits i över 60 år. Intressant nog hävdade två uppfinnare att de upptäckte teknologin. Dessa oberoende insatser gick tillväga på olika sätt men fick samma resultat: ett atomtunt lager av beläggning.

På 1960-talet lyckades sovjetiska forskare med detta uppdrag med en process som kallades molekylär lagerbildning. Upptäckten erkändes inte omedelbart i väst på grund av den spända politiska situationen efter andra världskrigets slut. Dock insåg många forskare tidigt att denna teknik skulle bli avgörande för nästa generations enheter.

Ett decennium senare använde ett finskt forskarteam lett av Dr. Tuomo Suntola framgångsrikt en ny metod kallad atomic layer epitaxy för att leverera tunna, jämna lager av ljusabsorberande material till enheter. Metoden blev en omedelbar succé bland tillverkare, vilket gjorde Finland till ett centrum för ALD-utveckling under årtionden.

Därefter fortsatte ALD-forskningen att expandera med genombrott inom fotovoltaik, katalys, tillverkning av halvledare och mer. Idag lever du i en värld omgiven av denna teknik. Från din smartphone till dina solpaneler som driver ditt hem har ALD-processer förbättrat livet för miljarder människor.

Imponerande nog har de senaste processerna utvecklats till den grad att de kan deponera jämna och konforma filmer på komplexa, 3D-objekt med atomprecision. ALD erbjuder en ultratunn beläggning som kan vara så tunn som en atom. Noterbart är att beläggningen är så tunn att den kan betraktas som 2D.

Användningsområden för ALD

Idag är ALD-tillverkningsprocesser en avgörande komponent på marknaden. Dessa tunna lager erbjuder ett starkt och effektivt sätt att skydda föremål mot oönskade energikällor. Här är några av de mest spännande sätten som ALD kan förbättra ditt liv på i framtiden.

Solceller

Forskare har gjort betydande framsteg inom fotovoltaik tack vare användningen av ALD-teknik för att testa nya material och strukturer. Dagens solpaneler är ineffektiva, med det bästa alternativet som bara ger i genomsnitt +30 % energikonvertering. Mycket av denna energi går förlorad som värme och reflekteras från cellernas yta ut i atmosfären.

ALD-solpaneler skulle kunna fånga mer ljus och förhindra läckage. Dessutom skulle de kunna konstrueras för att klara de tuffaste miljöerna, inklusive de som finns på andra planeter där de skulle behövas för att driva rymdforskningsutrustning i åratal. Därför tror många att ALD-solceller kommer att driva nästa månbil och andra rymdprojekt.

Litiumbatterier

Lithiumjonbatteriteknik (LIB) erbjuder hög energitäthet och låg självurladdning. Dessa batterier förlitar sig på kemiska reaktioner mellan elektrolyten och anodet. Tyvärr förbrukar de nuvarande fasta elektrolytgränssnitten (SEI) en procentandel av jonerna permanent, vilket gör dem slösaktiga.

Att använda ALD för att belägga elektronskikt kan hjälpa till att förhindra prestandaförluster och minska nedbrytning över tid. ALD-processer kan utföra dessa uppgifter eftersom de är tunna och kan appliceras jämnt utan hål i ytan på atomnivå. Denna beläggning förhindrar oönskad korskontaminering på atomnivå.

Mikrochips

Mikrochipteknik fortsätter att revolutionera världen genom att göra mer avancerad elektronik mindre och mer pålitlig. Den nuvarande mikrochipen ligger ljusår före sin föregångare men saknar fortfarande i många avseenden. För det första är den mycket energikrävande, vilket innebär att alla dina smarta enheter tillsammans förbrukar mycket energi.

Med tanke på vikten av energihållbarhet tilldelade USA:s energidepartement (DOE) Argonne National Laboratory $4 miljoner för att finansiera deras nästa generations ALD-chipforskning. Projektets mål är att hitta nya material som kan minska mikrochipens energibehov med upp till 50‑fald. Om det lyckas kan hela marknaden dra nytta.

En del av tillvägagångssättet syftar till att lösa \”von Neumann-flaskhalsen\” – en term som avser den enorma mängden energi som datorer använder för att bara flytta data mellan logik- och minneschip. Argonne kommer att använda ALD för att skapa lågenergialternativ för att motverka överdriven energiförbrukning innan det är för sent.

Rymden

Rymdforskning är en av de sektorer där ALD har spelat en betydande roll under det senaste decenniet. Rymdforskning kräver enheter som kan klara av extrema miljöer som inte finns på jorden. En satellit kan behöva stå emot temperaturer på +500 °F på ena sidan, medan den andra sidan av enheten är frusen under noll grader.

Dessa extrema temperaturer och förhållanden kan orsaka stora problem för optiska enheter och elektronik. ALD erbjuder den bästa lösningen på dessa problem. Dessutom fortsätter forskare att utöka dess ljusabsorberande förmåga. Dagens rymdoptik förlitar sig på material som också kan absorbera ultraviolett och infrarött ljus för att skapa en ljus steril miljö.

Ledande företag inom ALD

1. Argonne

ANL Prisdiagram

Argonne är ett välkänt forskningscenter som samarbetar med högteknologiska tillverkare, regeringar och andra forskare för att skapa avancerade beläggningsalternativ. Företaget grundades på 1940‑talen som en avknoppning av Manhattanprojektet. På den tiden sågs atomenergi som framtiden.

Sedan dess har Argonne utvecklats till ett tvärvetenskapligt forsknings- och ingenjörscentrum men fokuserar fortfarande främst på hållbar energiteknik. Gruppen utnyttjar sin placering i centrala Chicago för att nå en rad industrier och driva kreativitet inom energifysik och materialvetenskap.

2. Beneq

(Private)

År 1984 blev Beneq den första industriella produktionslinjen i världen som integrerade ALD-metoder i sina processer. Detta privatägda finska företag har varit en pionjär på marknaden sedan ALD skapades. Idag levererar de högkvalitativ ALD-utrustning till företag och specialiserar sig på tillverkningsprocesser för halvledare.

Beneq förblir en banbrytande kraft inom ALD-sektorn och har erkänts som ett av de mest etablerade namnen på denna lista. Gruppen fortsätter att erbjuda nya och innovativa beläggningslösningar. Därför betraktas de av många som en marknadsledare.

3. CVD Equipment

CVV Prisdiagram

CVD Equipment (CVV ) är en annan välrespekterad ALD-leverantör. Gruppen har byggt ett rykte för att leverera precisa och pålitliga utrustningar för kemisk ångdeposition och termiska processer till marknaden. Idag betjänar CVD flera industrier, inklusive fordons- och rymdsektorerna.

CVD har erbjudit tjänster i över 40 år. Denna erfarenhet har gjort det möjligt för företaget att positionera sig som en banbrytande kraft på marknaden. Det har också gjort det möjligt för företaget att förbättra och optimera sina processer för att maximera prestanda.

4. Applied Materials

AMAT Prisdiagram

Applied Materials (AMAT ) blev en viktig aktör på ALD-marknaden efter att ha förvärvat Picosun år 2020. Vid den tiden var Picosun en av de mest aktiva ALD-leverantörerna i branschen. Applied Materials utnyttjade sin erfarenhet och sitt nätverk för att utveckla nya metoder och strategier för att applicera ultratunna lager.

Idag erbjuder Applied Materials ALD-tjänster till företagskunder. Dessa tjänster inkluderar färdiga produktionslinjer och forskningsmöjligheter. Dessutom kan företag utnyttja Applied Materials konsulttjänster för att effektivisera skapandet och integrationen av ALD-tjänster.

Artificiell intelligens förbättrar ALD

En av anledningarna till att ALD har förbättrats under de senaste åren är integrationen av AI-algoritmer. Specifikt gör maskininlärningsalgoritmer det möjligt för utvecklare att skapa och testa nya föreningar virtuellt. Denna förmåga minskar avsevärt forsknings‑ och utvecklingskostnaderna och gör det möjligt för utvecklare att se hur vissa material interagerar utan att behöva specialmaskiner för uppgiften.

Maskininlärningsalgoritmer kan köra miljontals tester för att hitta potentiella svagheter eller trösklar. Denna typ av AI är mycket effektiv och kräver bara en enda inlärning för att utföra uppgifter optimalt. Dessutom kan lärande neurala nätverk få AI att föreslå nya material och själva genomföra testning och utveckling.

AI‑simulation är en spelväxlare av många anledningar. För det första gör dessa tester det möjligt att pröva sina skapelser till den absoluta gränsen utan att skada föremål i den verkliga världen. Utvecklare kan skapa, testa och justera allt virtuellt innan de någonsin investerar i tillverkningsmetoder. På så sätt kan AI bli nyckeln till att låsa upp nya nivåer av hållbarhet och tillämpningsmetoder i framtiden.

ALD-marknadens expansion

ALD-marknaden är på uppgång, med rapporter som visar att över 4,46  miljarder USD i intäkter genererades från försäljning av ALD-utrustning år 2023. Samma data pekar på en betydande tillväxtpotential i framtiden, med en förväntad årlig tillväxttakt (CAGR) på 8,90 % under det kommande decenniet enbart på den amerikanska marknaden.

Rapporten visar också att den ökade efterfrågan beror på den fortsatta miniaturiseringen av elektroniska enheter och förbättrade tillverkningsprocesser. Nyare processer förbättrar kvaliteten och minskar appliceringskostnaderna. Samma rapport visar dessutom hur den ökade efterfrågan på solpaneler är en annan katalysator för ALD:s expansion.

Det kan alltid bli mörkare

Vetenskapen om att skapa det svartaste materialet kommer att fortsätta utvecklas och driva innovation inom alla vetenskapssektorer. Från högkvalitativa optiska enheter till rymdforskning och insamling av solstrålar är ALD-teknologier i framkant av innovation. Av dessa skäl är det klokt att hålla ett öga på dessa företag under de kommande månaderna.

Du kan lära dig mer om spännande blockchain-projekt här.