Kemisk dampaflejring muliggør produktion af rene, ensartede belægninger af metaller eller polymerer

I en vis forstand, siger professor i kemiteknik ved MIT, Karen Gleason, du kan spore teknologien til kemisk dampaflejring, eller CVD, helt tilbage til forhistorien:"Da hulemændene tændte en lampe og sod blev afsat på væggen i en hule, " hun siger, det var en rudimentær form for CVD.

I dag, CVD er et grundlæggende fremstillingsværktøj-brugt i alt fra solbriller til kartoffelchips-og er grundlæggende for produktionen af ​​meget af nutidens elektronik. Det er også en teknik, der er genstand for konstant raffinering og ekspansion, skubber materialeforskning i nye retninger-såsom fremstilling af store ark grafen, eller udviklingen af ​​solceller, der kunne "printes" på et ark papir eller plastik.

På sidstnævnte område, Gleason, der også fungerer som MITs associerede provost, har været en pioner. Hun udviklede det, der traditionelt havde været en højtemperaturproces, der blev brugt til at deponere metaller under industrielle forhold til en lavtemperaturproces, der kunne bruges til mere sarte materialer, såsom organiske polymerer. Den udvikling, en forfining af en metode opfundet i 1950'erne af Union Carbide til fremstilling af beskyttende polymerbelægninger, er det, der aktiverede, for eksempel, de solceller, der kan udskrives, som Gleason og andre har udviklet.

Denne dampaflejring af polymerer har åbnet døren for en række forskellige materialer, der ville være vanskelige, og i nogle tilfælde umuligt, at producere på anden måde. For eksempel, mange nyttige polymerer, f.eks. vandafgivende materialer til beskyttelse af industrielle komponenter eller biologiske implantater, er fremstillet af forstadier, der ikke er opløselige, og kunne derfor ikke fremstilles ved hjælp af konventionelle løsningsbaserede metoder. Ud over, siger Gleason, Alexander og I. Michael Kasser Professor ved MIT, selve CVD -processen fremkalder kemiske reaktioner mellem belægninger og substrater, der stærkt kan binde materialet til overfladen.

Gleasons arbejde med polymerbaseret CVD begyndte i 1990'erne, da hun lavede eksperimenter med teflon, en forbindelse af chlor og fluor. Dette arbejde førte til et nu voksende felt beskrevet i en ny bog Gleason redigeret, med titlen "CVD -polymerer:Fremstilling af organiske overflader og enheder" (Wiley, 2015).

På det tidspunkt, tanken var, at den eneste måde at få CVD til at fungere med polymere materialer var ved at bruge plasma - en elektrisk ladet gas - til at starte reaktionen. Gleason forsøgte at udføre eksperimenter for at bevise dette, begyndende med at køre et kontroleksperiment uden plasma for at demonstrere, hvor vigtigt det var for at få processen til at fungere. I stedet, hendes kontroleksperiment fungerede fint uden plasma overhovedet, at bevise, at dette trin for mange polymerer ikke var nødvendigt.

Men det udstyr, Gleason brugte, tillod temperaturen på gassen at blive kontrolleret separat fra temperaturen på substratet; at have substratkølerne vist sig at være nøglen. Hun demonstrerede den plasmafri proces med mere end 70 forskellige polymerer, åbner et helt nyt forskningsfelt.

Processen kan kræve meget finjustering, men er grundlæggende et simpelt trin:Materialet, der skal belægges, placeres inde i et vakuumkammer - hvilket dikterer den maksimale størrelse af genstande, der kan coates. Derefter, belægningsmaterialet opvarmes, eller trykket omkring det reduceres, indtil materialet fordamper, enten inde i vakuumkammeret eller i et tilstødende område, hvorfra dampen kan indføres. Der, det suspenderede materiale begynder at bundfælde sig på substratmaterialet og danne en ensartet belægning. Justering af temperaturen og varigheden af ​​processen gør det muligt at kontrollere tykkelsen af ​​belægningen.

Med metaller eller metalforbindelser, såsom dem, der bruges i halvlederindustrien, eller de sølvfarvede belægninger inde i snackposer, de opvarmede metaldamp aflejres på et køligere underlag. I polymerprocessen, det er lidt mere komplekst:To eller flere forskellige forstadier, kaldet monomerer, indføres i kammeret, hvor de reagerer på dannelse af polymerer, når de aflejres på overfladen.

Selv høj-temperatur CVD-behandling har udviklet sig, med stort potentiale til kommercielle applikationer. For eksempel, forskningsgruppen til John Hart, lektor i maskinteknik, har bygget et roll-to-roll-behandlingssystem ved hjælp af CVD til at lave ark af grafen, et materiale med potentielle anvendelser lige fra store skærme til vandfiltreringssystemer. Harts gruppe og andre har brugt CVD til at producere store arrays af carbon nanorør, materialer med potentiale som nye elektroder til batterier eller brændselsceller.

"Det er en meget alsidig og meget brugt fremstillingsproces, "Hart siger, "og en meget generel proces, der kan skræddersyes til mange forskellige applikationer."

En stor fordel ved CVD -behandling er, at den kan skabe belægninger med ensartet tykkelse, selv over komplekse former. For eksempel, CVD kan bruges til ensartet at belægge carbon nanorør - bittesmå cylindre af rent kulstof, der er langt mere slanke end et hår - såsom at ændre deres mekaniske egenskaber og få dem til at reagere kemisk på bestemte stoffer.

"Ved at kombinere to CVD -processer - en til at dyrke kulstofnanorørene, og et andet til at belægge nanorørene - vi har en skalerbar måde at fremstille nanomaterialer med nye egenskaber på, "Siger Hart.

Mange fremskridt inden for CVD -forskning i de seneste år går tilbage til Gleasons uventede opdagelse, tilbage i 1990'erne, at processen kunne fungere uden plasma-og hendes opfølgning på dette fund. "Du skal være opmærksom, når der sker noget nyt, "siger hun." Det er sådan set nøglen. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.