CVD-processen börjar med tankar som innehåller ett initiatormaterial (röd) och en eller flera monomerer (lila och blå), som är byggstenarna i den önskade polymerbeläggningen. Dessa förångas, antingen genom att värma dem eller minska trycket, och förs sedan in i en vakuumkammare innehållande materialet som ska beläggas. Initiatorn hjälper till att påskynda processen där monomererna länkas samman i kedjor för att bilda polymerer på ytan av substratmaterialet.
På sätt och vis, säger MIT kemiteknikprofessor Karen Gleason, du kan spåra tekniken för kemisk ångavsättning, eller CVD, ända tillbaka till förhistorien:"När grottmännen tände en lampa och sot avsattes på väggen i en grotta, " hon säger, det var en rudimentär form av CVD.
I dag, CVD är ett grundläggande tillverkningsverktyg – som används i allt från solglasögon till potatispåsar – och är grundläggande för produktionen av mycket av dagens elektronik. Det är också en teknik som är föremål för ständig förfining och expansion, driva materialforskningen i nya riktningar – som produktion av storskaliga ark av grafen, eller utvecklingen av solceller som skulle kunna "skrivas ut" på ett pappersark eller plast.
I det senare området, Gleason, som också fungerar som MIT:s biträdande provost, har varit en pionjär. Hon utvecklade vad som traditionellt hade varit en högtemperaturprocess som användes för att deponera metaller under industriella förhållanden till en lågtemperaturprocess som kunde användas för ömtåligare material, såsom organiska polymerer. Den utvecklingen, en förfining av en metod som uppfanns på 1950-talet av Union Carbide för att producera skyddande polymerbeläggningar, är det som aktiverat, till exempel, de utskrivbara solcellerna som Gleason och andra har utvecklat.
Denna ångavsättning av polymerer har öppnat dörren till en mängd olika material som skulle vara svåra, och i vissa fall omöjligt, att producera på något annat sätt. Till exempel, många användbara polymerer, som vattenavgivande material för att skydda industriella komponenter eller biologiska implantat, är gjorda av prekursorer som inte är lösliga, och kunde således inte produceras med konventionella lösningsbaserade metoder. Dessutom, säger Gleason, Alexander och I. Michael Kasser professor vid MIT, CVD-processen i sig inducerar kemiska reaktioner mellan beläggningar och substrat som starkt kan binda materialet till ytan.
Gleasons arbete med polymerbaserad CVD började på 1990-talet, när hon gjorde experiment med teflon, en förening av klor och fluor. Det arbetet ledde till ett nu växande fält som beskrivs i en ny bok som Gleason redigerade, med titeln "CVD Polymers:Fabrication of Organic Surfaces and Devices" (Wiley, 2015).
Just då, tanken var att det enda sättet att få CVD att fungera med polymermaterial var att använda plasma – en elektriskt laddad gas – för att initiera reaktionen. Gleason försökte utföra experiment för att bevisa detta, börja med att köra ett kontrollexperiment utan plasma för att visa hur viktigt det var för att få processen att fungera. Istället, hennes kontrollexperiment fungerade alldeles utmärkt utan plasma alls, bevisar att för många polymerer var detta steg inte nödvändigt.
Men utrustningen som Gleason använde gjorde att gasens temperatur kunde kontrolleras separat från substratets temperatur; att ha substratkylaren visade sig vara nyckeln. Hon fortsatte med att demonstrera den plasmafria processen med mer än 70 olika polymerer, öppna upp ett helt nytt forskningsfält.
Processen kan kräva mycket finjustering, men är i grunden en enkel uppsättning steg:Materialet som ska beläggas placeras inuti en vakuumkammare - vilket bestämmer den maximala storleken på föremål som kan beläggas. Sedan, beläggningsmaterialet värms upp, eller trycket runt det minskas tills materialet förångas, antingen inuti vakuumkammaren eller i ett angränsande område från vilket ångan kan införas. Där, det suspenderade materialet börjar lägga sig på substratmaterialet och bilda en enhetlig beläggning. Justering av temperaturen och processens varaktighet gör det möjligt att kontrollera beläggningens tjocklek.
Med metaller eller metallföreningar, som de som används i halvledarindustrin, eller de silverfärgade beläggningarna inuti snackspåsarna, den uppvärmda metallångan avsätts på ett svalare substrat. I polymerprocessen, det är lite mer komplext:två eller flera olika prekursorföreningar, kallas monomerer, införs i kammaren, där de reagerar för att bilda polymerer när de avsätts på ytan.
Även högtemperatur-CVD-bearbetning har utvecklats, med stor potential för kommersiella tillämpningar. Till exempel, forskargruppen av John Hart, en docent i maskinteknik, har byggt ett rull-till-rulle-bearbetningssystem som använder CVD för att göra ark av grafen, ett material med potentiella tillämpningar som sträcker sig från storbildsskärmar till vattenfiltreringssystem. Harts grupp och andra har använt CVD för att producera stora arrayer av kolnanorör, material med potential som nya elektroder för batterier eller bränsleceller.
"Det är en mycket mångsidig och allmänt använd tillverkningsprocess, "Hart säger, "och en mycket generell process som kan skräddarsys för många olika applikationer."
En stor fördel med CVD-bearbetning är att den kan skapa beläggningar med jämn tjocklek även över komplexa former. Till exempel, CVD kan användas för att likformigt belägga kolnanorör - små cylindrar av rent kol som är mycket smalare än ett hårstrå - för att modifiera deras mekaniska egenskaper och få dem att reagera kemiskt på vissa ämnen.
"Genom att kombinera två CVD-processer - en för att odla kolnanorören, och en annan för att belägga nanorören – vi har ett skalbart sätt att tillverka nanomaterial med nya egenskaper, " säger Hart.
Många framsteg inom CVD-forskningen de senaste åren spårar tillbaka till Gleasons oväntade upptäckt, tillbaka på 1990-talet, att processen kunde fungera utan plasma – och hennes uppföljning av det fyndet. "Du måste vara uppmärksam när något nytt händer, " säger hon. "Det är liksom nyckeln."
Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
