Ett nytt sätt att avsätta tunna lager av atomer som en beläggning på ett substratmaterial vid nära rumstemperatur har uppfunnits vid University of Alabama i Huntsville (UAH), en del av University of Alabama System.

UAH postdoktorala forskarassistent Dr. Moonhyung Jang fick idén att använda en ultraljudsförstoftningsteknik för att avdunsta kemikalier som används i atomskiktsdeposition (ALD) när han köpte en luftfuktare för hemmet.

Dr. Jang arbetar i Dr. Yu Leis laboratorium, en docent vid institutionen för kemiteknik. Paret har publicerat ett papper om sin uppfinning som har valts ut som redaktörens val i Journal of Vacuum Science &Technology A .

"ALD är en tredimensionell tunnfilmsavsättningsteknik som spelar en viktig roll vid tillverkning av mikroelektronik, vid tillverkning av föremål som centrala bearbetningsenheter, minne och hårddiskar, " säger Dr Lei.

Varje ALD-cykel avsätter ett lager några atomer djupt. En ALD-process upprepar deponeringscykeln hundratals eller tusentals gånger. De tunna filmernas enhetlighet är beroende av en självbegränsande ytreaktion mellan den kemiska prekursorångan och substraten.

"ALD erbjuder exceptionell kontroll av nanometerfunktioner samtidigt som material deponeras enhetligt på stora kiselskivor för tillverkning av stora volymer, " Dr Lei säger. "Det är en nyckelteknik för att producera kraftfulla och små smarta enheter."

När du surfar online efter en säker och lättanvänd luftfuktare för hemmet, Dr. Jang observerade att luftfuktare på marknaden använder antingen direkt uppvärmning vid hög temperatur eller ultraljudsvibrationer vid rumstemperatur för att generera vattendimman.

"Moon insåg plötsligt att det senare kan vara ett säkert och enkelt sätt att generera ångor för reaktiva kemikalier som är termiskt instabila, " säger Dr Lei.

"Nästa dag, Moon kom för att diskutera idén och vi designade experimenten för att bevisa konceptet i vårt forskningslabb. Hela processerna tog nästan ett år. Men den fantastiska idén kom till Moon som en blixt."

ALD-processer förlitar sig vanligtvis på upphettade gasfasmolekyler som förångas från sin fasta eller flytande form, liknande rumsluftfuktare som använder värme för att förånga vatten. Men i den ALD-processen, vissa kemiska prekursorer är inte stabila och kan sönderdelas innan de når ett tillräckligt ångtryck för ALD.

"Förr, många reaktiva kemikalier ansågs inte lämpliga för ALD på grund av deras låga ångtryck och eftersom de är termiskt instabila, " säger Dr Lei. "Vår forskning fann att ultraljudsförstoftningstekniken möjliggjorde avdunstning av de reaktiva kemikalierna vid så låg temperatur som rumstemperatur."

UAH-forskarnas ultraljudsuppfinning gör det möjligt att använda ett brett utbud av reaktiva kemikalier som är termiskt instabila och inte lämpar sig för direkt uppvärmning.

"Ultraljudsförstoftning, som utvecklats av vår forskargrupp, levererar prekursorer med lågt ångtryck eftersom förångningen av prekursorer gjordes genom ultraljudsvibrering av modulen, " säger Dr Lei.

"Som hushållsluftfuktaren, ultraljudsförstoftning genererar en dimma som består av mättad ånga och små droppar, " säger han. "Dropparna i mikrostorlek avdunstar kontinuerligt när dimman levereras till substraten av en bärgas."

Processen använder en piezoelektrisk ultraljudsgivare placerad i en flytande kemisk prekursor. När väl börjat, givaren börjar vibrera några hundra tusen gånger per sekund och genererar en dimma av den kemiska prekursorn. De små vätskedropparna i dimman avdunstar snabbt i gasgrenröret under vakuum och mild värmebehandling, lämnar efter sig ett jämnt skikt av avsättningsmaterialet.

"Med hjälp av ultraljudsförstoftning i rumstemperatur som rapporterats av vårt manuskript, nya ALD-processer skulle kunna utvecklas med hjälp av låg volatilitet och instabila prekursorer, " Dr. Lei säger. "Det kommer att öppna ett nytt fönster för många ALD-processer."

I deras tidning, UAH-forskarna demonstrerar proof of concept genom att jämföra titanoxid ALD med termiskt förångade och rumstemperatur-ultraljudsatomiserade kemiska prekursorer, respektive.

"TiO ₂ tunnfilmskvaliteten är jämförbar, " säger Dr Lei.