Тонкие плёнки
То́нкие плёнки, слои вещества, расположенные между макроскопическими фазами, толщина которых лежит в пределах от нескольких микрон до моноатомного слоя и сопоставима с дистанциями действия поверхностных сил. Частным случаем тонких плёнок являются 2D-материалы, которые представляют собой моно- или полимолекулярные слои толщиной в несколько нанометров. Уменьшение толщины плёнки зачастую приводит к изменению или появлению новых физико-химических свойств материала, что делает тонкие плёнки в целом и 2D-материалы в особенности перспективным направлением с научной и технической точек зрения.
Физическо-химические особенности
Малая толщина плёнок существенно повышает роль приповерхностного слоя и локализующихся в нём явлений, таких как дефекты поверхности и силы поверхностного натяжения, в формировании физических свойств тонких плёнок и 2D-материалов. За счёт высокого отношения площади плёнки к её объёму (по сравнению с обычным трёхмерным объектом) эти эффекты затрагивают бо́льшую часть материала и приводят к изменениям его характеристик. Высокая площадь взаимодействия плёнки с другими фазами способствует протеканию химических реакций и повышает эффективность каталитических процессов.
При переходе к квази-2D-состоянию вещества важную роль в формировании физических свойств материала начинают играть квантовые эффекты. Уменьшение толщины материала до размеров, сравнимых с радиусом экситона, т. е. до нескольких нанометров, приводит к изменению электронной структуры материала. Это явление называют квантовым размерным эффектом (quantum confinement).
Методы синтеза
Выбор метода получения плёнок различных соединений определяется природой и характеристиками синтезируемого материала. Исходя из толщины синтезируемых плёнок, можно выделить методы, позволяющие получать макроразмерные плёнки (толщиной до нескольких микрон) и методы, пригодные для синтеза квази-2D-плёнок, состоящих из считаных молекулярных или атомных слоёв.
Методы синтеза плёнок
Для синтеза макроразмерных плёнок используют ряд методов, основанных на различных физических и химических принципах. Выбор конкретного метода определяется природой получаемой плёнки и особенностями решаемой технической задачи. Наиболее распространёнными решениями являются:
золь-гель метод, при котором плёнка образуется при удалении растворителя из двухфазной гелевой системы. Исходная система может быть нанесена на поверхность с помощью ряда методов (Sol–Gel Deposition of Thin Films ... 2019. P. 1–18), таких как распространение по вращающейся подложке (spin coating), окунание поверхности в гель (dip coating), напыление, термофорез, электрофорез;
метод пиролиза при распылении, когда плёнка образуется при контакте распылённого прекурсора с раскалённой подложкой;
методы электролитического осаждения и др.
Принципиальная схема процесса изготовления тонкой плёнки по золь-гель технологии c методом нанесения прекурсора на вращающуюся подложку (spin coating).В зависимости от физико-химических свойств получаемой плёнки и используемого прекурсора, а также требований технологического процесса могут использоваться различные комбинации методов синтеза и нанесения плёнок.
Методы синтеза низкоразмерных материалов
Существуют два подхода к синтезу наноразмерных тонких плёнок: т. н. сверху вниз (top-down) и снизу вверх (bottom-up). В первом случае низкоразмерные образцы получаются путём расщепления объёмного материала на тонкие слои в процессе эксфолиации. К достоинствам этого метода относятся простота и гибкость экспериментальной реализации и возможность масштабирования на большие объёмы продукции. К недостаткам – сложность контроля за однородностью толщины получаемых плёнок, высокое содержание дефектов и малая площадь получаемых флейков (чешуек) 2D-материала.
К bottom-up способам получения тонких плёнок относят методы, основанные на агрегации и укрупнении исходного вещества до необходимого размера и состояния. Такие методы открывают возможности для очень тонкого контроля за толщиной, морфологией и составом получаемых плёнок, но требуют сложного и дорогостоящего оборудования. К этой группе принадлежат:
методы, основанные на осаждении из газовой фазы (CVD);
методы молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE);
методы атомно-слоевого осаждения (ALD) и др.
Отчасти недостатки этой группы методов можно компенсировать при использовании группы жидкофазных методов, таких как гидро- и сольвотермальный синтез, или, в отдельных случаях, прямого синтеза низкоразмерного материала в растворе (Bottom-up engineering strategies for ... 2021).
Применение
Материалы на основе тонких плёнок нашли широкое применение в различных технологических областях, где востребованы те или иные аспекты их физико-химических свойств. Стабильность и механические свойства позволяют создавать различные антикоррозийные покрытия, высокое отношение площади к объёму используется в катализе, а возможность построения гетероструктур и тонкого контроля за свойствами материала находит применение при создании наноразмерных электронных устройств, расширяющих возможности классической кремниевой электроники (Hyuk-Jun Kwon. 2022).