Datorer, mobiltelefoner och alla andra elektroniska enheter innehåller tusentals transistorer sammanlänkade av tunna metallfilmer. Forskare vid Linköpings universitet, Sverige, har utvecklat en metod som kan använda elektronerna i ett plasma för att producera dessa filmer.

Processorerna som används i dagens datorer och telefoner består av miljarder små transistorer sammankopplade med tunna metallfilmer. Forskare vid Linköpings universitet, LiU, har nu visat att det är möjligt att skapa tunna filmer av metaller genom att låta de fria elektronerna i ett plasma ta en aktiv roll. Ett plasma bildas när energi tillförs som river bort elektroner från atomerna och molekylerna i en gas, att producera en joniserad gas. I vår vardag, plasma används i fluorescerande lampor och i plasmaskärmar. Metoden som utvecklats av LiU-forskarna med hjälp av plasmaelektroner för att producera metalliska filmer beskrivs i en artikel i J vacuumvetenskap och teknik .

"Vi kan se flera spännande användningsområden, såsom tillverkning av processorer och liknande komponenter. Med vår metod är det inte längre nödvändigt att flytta substratet som transistorerna skapas på bakåt och framåt mellan vakuumkammaren och ett vattenbad, vilket händer cirka 15 gånger per processor, säger Henrik Pedersen, professor i oorganisk kemi vid institutionen för fysik, Kemi och biologi vid Linköpings universitet.

En vanlig metod för att skapa tunna filmer är att införa molekylära ångor som innehåller de atomer som krävs för filmen i en vakuumkammare. Där reagerar de med varandra och den yta som den tunna filmen ska bildas på. Denna väletablerade metod är känd som kemisk ångdeposition (CVD). För att producera filmer av ren metall med CVD, Det krävs en flyktig prekursormolekyl som innehåller metallen av intresse. När prekursormolekylerna har absorberats på ytan, ytkemiska reaktioner som involverar en annan molekyl krävs för att skapa en metallfilm. Dessa reaktioner kräver molekyler som lätt donerar elektroner till metalljonerna i prekursormolekylerna, så att de reduceras till metallatomer, i vad som kallas en "reduktionsreaktion". LiU-forskarna riktade istället uppmärksamheten mot plasma.

"Vi resonerade att det som ytkemireaktionerna behövde var fria elektroner, och dessa finns i en plasma. Vi började experimentera med att låta prekursormolekylerna och metalljonerna landa på en yta och sedan attrahera elektroner från en plasma till ytan, säger Henrik Pedersen.

Forskare inom oorganisk kemi och inom plasmafysik vid IFM har samarbetat och visat att det är möjligt att skapa tunna metalliska filmer på en yta med hjälp av de fria elektronerna i en argonplasmaurladdning för reduktionsreaktionerna. För att locka de negativt laddade elektronerna till ytan, de tillämpade en positiv potential över det.

Studien beskriver arbete med oädla metaller som järn, kobolt och nickel, som är svåra att reducera till metall. Traditionell CVD har tvingats använda kraftfulla molekylära reduktionsmedel i dessa fall. Sådana reduktionsmedel är svåra att tillverka, hantera och kontrollera, eftersom deras tendens att donera elektroner till andra molekyler gör dem mycket reaktiva och instabila. På samma gång, molekylerna måste vara tillräckligt stabila för att förångas och införas i gasform i vakuumkammaren i vilken metallfilmerna avsätts.

"Det som kan göra metoden med plasmaelektroner bättre är att den tar bort behovet av att utveckla och hantera instabila reduktionsmedel. Utvecklingen av CVD av icke-ädla metaller hämmas på grund av brist på lämpliga molekylära reduktionsmedel som fungerar tillräckligt bra, säger Henrik Pedersen.

Forskarna fortsätter nu med mätningar som ska hjälpa dem att förstå och kunna visa hur de kemiska reaktionerna sker på ytan där metallfilmen bildas. De undersöker också plasmans optimala egenskaper. De skulle också vilja testa olika prekursormolekyler för att hitta sätt att göra metallfilmerna renare.