1- مفهوم لایه‌های نازک
به‌طور کلی لایه به ماده یا موادی گفته می‌شود که به صورت یک پوشش روی سطح یا ماده راسب شده و باعث تغییر خواص موجود یا ایجاد خواص الکتریکی، فیزیکی، مکانیکی، تریبولوزیکی و خوردگی جدید در سطح می‌شود. از دیدگاه فیزیک حالت جامد، مواد به صورت توده‌ای مورد بررسی قرار می‌گیرند. بنابراین، از دیدگاه فیزیک حالت جامد، لایه هنگامی تشکیل می‌شود که ماده از حالت توده‌ای به صورت اتم‌ها، مولکول‌ها یا یون‌های مجزا درآمده و به‌شکل یک پوشش روی سطح مورد نظر (زیرلایه) راسب شود. فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی مختلف اصلی‌ترین نقش را در چگالش ذرات اتمی، مولکولی یا یونی روی زیرلایه ایفا می‌کنند. شکل 1 شمایی از تشکیل یک لایه نازک روی زیرلایه را نشان می‌دهد.

شکل 1- شمایی از تشکیل یک لایه نازک روی زیرلایه.

لایه‌ها و پوشش‌های مختلف از لحاظ ضخامت به سه گروه تقسیم می‌شوند که عبارتنداز:

1) لایه‌های بسیار نازک با ضخامت کمتر از 50 آنگستروم؛

2) لایه‌های نازک با ضخامت بین 50 تا 5000 آنگستروم؛

3) لایه‌های ضخیم با ضخامت بیش از 5000 آنگستروم.

بنابراین، لایه‌های نازک به لایه‌هایی از جنس مواد مختلف مانند فلزات، نیمه‌رساناها و عایق‌ها گفته می‌شود که با دقتی در حد اتم طراحی شده‌اند. معمولاً با نازک شدن پوشش‌ها (در حد لایه‌های نازک)، خواص مختلف آن‌ها تغییر می‌کند یا حتی خواص جدیدی در آن‌ها ظاهر می‌شود. بنابراین، یکی از کاربردهای اصلی این لایه‌ها، اصلاح خواص سطح جامدات است. این خواص جدید باعث گسترش کاربردهای این زیرلایه‌ها می‌شوند. لایه‌های نازک در دسته پوشش‌های نانوساختار قرار می‌گیرند. لایه‌های نازک و بسیار نازک، از دو ویژگی مهم برخوردار هستند که عبارتند از:   

• ضخامت زیرمیکرونی آن‌ها؛ البته با کوچک‌تر شدن ضخامت، خواص آن‌ها تغییر می‌کند.
• نسبت سطح به ضخامت فوق العاده بزرگ آن‌ها.  

به‌دلیل خواص عالی لایه‌های نازک و پیشرفت‌های روزافزون در روش‌های رسوب‌دهی لایه‌های نازک در طول سال‌های اخیر، از این لایه‌ها به‌طور گسترده‌ای در صنایع مختلف مانند ضبط‌‌کننده‌های مغناطیسی، ادوات الکترونیکی نیمه‌رسانا، پوشش‌های اپتیکی (پوشش‌های ضدبازتاب)، دیودهای نشردهنده نور، پوشش‌های سخت روی ابزارهای برشی، سلول‌های خورشیدی و باتری‌ها استفاده می‌شود. جهت آشنایی بیشتر با روش‌های سنتز و کاربردهای لایه‌های نازک به مقاله "روش‌های سنتز، آنالیز و کاربردهای لایه‌های نازک" در سایت آموزش نانو مراجعه کنید. شکل 2 تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از سطح مقطع یک لایه نازک به‌کار رفته در سلول خورشیدی را نشان می‌دهد.

شکل 2- تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از سطح مقطع یک لایه نازک به‌کار رفته در سلول خورشیدی.

2- اهمیت لایه‌های نازک
در سال‌های گذشته، پژوهش‌های زیادی در زمینه لایه‌های نازک انجام گرفته و از این نانوساختارها در صنایع مختلفی استفاده شده است. بی‌شک رشد چشم‌گیر ارتباطات، پردازش اطلاعات، ذخیره‌سازی، صفحه‌های نمایش، صنایع تزئینی، ابزارآلات نوری، مواد سخت و عایق‌ها از ثمره‌های سنتز لایه‌های نازک با فناوری‌های نوین است. پیشرفت‌های اخیر در سنتز، مشخصه‌یابی و کاربردهای لایه‌های نازک مرهون رشد و توسعه فناوری خلأ، تولید میکروسکوپ‌های الکترونی و ساخت وسایل دقیق و پیچیده شناسایی مواد است. به‌عنوان مثال، از حدود 40 سال پیش، لایه‌های نازک در مدارهای مجتمع به‌کار می‌روند. البته طی این مدت رفته‌رفته لایه‌های نازک مورد استفاده در این صنایع  هم از لحاظ ترکیب شیمیایی و هم از لحاظ خواص بهبود یافته و بازدهی آن‌ها افزایش یافته است. شکل 3 شمایی از مقطع عرضی یک مدار مجتمع را نشان می‌دهد.

شکل 3- شمایی از مقطع عرضی یک مدار مجتمع.

همان‌طور که در بخش‌های قبلی گفته شد، نازک‌تر شدن لایه‌های نازک باعث ایجاد خواص جدید در آن‌ها می‌شود. برخی از این خواص عبارتند از:

• افزایش مقاومت ویژه
• ایجاد پدیده تداخل نور
• پدیده تونل‌زنی
• مغناطیسی شدن سطح
• تغییر دمای بحرانی ابررساناها

هم‌چنین، لایه‌های نازک علاوه بر ضخامت کم ،دارای نسبت بزرگ سطح به ضخامت هستند که این موضوع خود سبب ایجاد خواص مطلوب مانند پدیده جذب سطحی فیزیکی و شیمیایی، پدیده پخش و فعال‌سازی می‌شود.

3- تاریخچه لایه‌های نازک
تکنولوژی لایه‌های نازک قدمتی چندهزار ساله دارد. این تکنولوژی، به طور هم‌زمان، هم یکی از قدیمی‌ترین هنرها و هم یکی از جدیدترین علوم به‌شمار می‌رود. احتمالاً مصریان اولین کسانی بودند که از هنر زرکوبی و طلاکاری برای تزیین و مقاوم‌سازی سطوح استفاده می‌کردند. در حدود چهار هزار سال پیش، از هنر چکش‌کاری طلا با تولید ورقه‌های بسیار نازک زیبا و پایدار در برابر فرآیندهای شیمیایی استفاده می‌شد. هم‌چنین، طی سالیان متمادی از  لایه‌نشانی جیوه روی قطعات مسی برای کاربردهای مختلف بهره گرفته می‌شد. لایه‌های نازک از زمانی‌که سیستم‌های خلآ برای اولین بار مورد استفاده قرار گرفت، تهیه می‌شدند؛ با این وجود، سنتز لایه‌هایی با هدف تولید ادوات مختلف از حدود 55 سال پیش آغاز شد. اولین لایه‌های نازک مورد استفاده برای اهداف اپتیکی شامل پوشش لایه نازک فلزی روی شیشه یا پلاستیک بودند. البته، از این لایه‌ها امروزه هم به‌عنوان یکی از کاربردهای اصلی لایه‌نازک یاد می‌شود؛ با این تفاوت که به‌دلیل بهبود دستگاه‌های ایجادکننده خلأ، خواص آن‌ها هم بهبود یافته است. رشد فرآیندهای رسوب‌دهی لایه‌های نازک، به‌ویژه در ادوات نیمه‌رسانا، در طی 25 سال گذشته بسیار سریع بوده است.

4- فیزیک لایه‌های نازک
فرآیند رشد لایه‌های نازک حین لایه‌نشانی به‌شکل صفحه کامل نیست. خواص لایه نازک راسب شده روی زیرلایه، در مقایسه با مواد بالک بسیار متفاوت بوده و بستگی شدیدی به ساختار فازی و مورفولوژی آن‌ها دارد. فرآیندهای جوانه‌زنی و رشد تعیین‌کننده خواص مختلف لایه‌های نازک مانند اندازه، مورفولوژی و جهت‌گیری دانه‌ها هستند. البته باید توجه داشت که فرآیندهای جوانه‌زنی و رشد، خود به نوع روش لایه‌نشانی مانند روش‌های فیزیکی و شیمیایی بستگی دارند. فرآیند رشد دانه‌ها حین سنتز لایه‌های نازک بدین صورت است که در ابتدا یک ذره از فاز بخار، کندانس می‌شود. این ذره کندانس شده ممکن است مجدداً تبخیر شود یا در میان اتم‌های موجود در سطح نفوذ کرده و به‌صورت سطحی در مکان‌های مناسب جذب شود. دو شرط لازم برای دست‌یابی به لایه‌ای نازک با سطح صاف عبارتند از:

• تحرک (موبیلیته) کافی اتم‌های نفوذکننده به سطح
• دمای بالا

تشکیل لایه نازک از ماده اولیه، روی سطح زیرلایه شامل سه مرحله است که عبارتند از:

•     مرحله اول: ماده اولیه به ذره‌های اتمی، مولکولی یا یونی تبدیل می‌شود.
•     مرحله دوم: این ذرات اتمی، مولکولی یا یونی فاصله بین منبع تا زیرلایه را طی می‌کنند.  
•     مرحله سوم: ذرات روی زیرلایه چگالش یافته و یک لایه نازک جامد تشکیل می‌شود.

چگالش لایه‌های نازک روی زیرلایه‌ها به یک صورت مشخص و خاص نبوده و بستگی به عوامل مختلفی مانند برهم‌کنش بین اتم‌های در حال رشد و اتم‌های لایه نازک با زیرلایه دارد. به‌طور کلی، سه نوع رشد برای لایه‌های نازک پیشنهاد شده است که عبارتند از:

1) رشد لایه به لایه (layer-by-layer)

2) رشد جزیره‌ای (isolated island)

3) رشد لایه‌ای-جزیره‌ای یا رشد به‌صورت جزیره‌های مشترک (joint islands/layer-plus-island)

شکل 4 شمایی از انواع مختلف رشد لایه‌های نازک روی زیرلایه را نشان می‌دهد.

شکل 4- شمایی از انواع مختلف رشد لایه‌های نازک روی زیرلایه: (الف) رشد لایه به لایه، (ب) رشد جزیره‌ای، (ج) رشد لایه‌ای-جزیره‌ای.

رشد لایه به لایه زمانی رخ می‌دهد که نیروی برهم‌کنش بین اتم‌های زیرلایه و لایه نازک، قوی‌تر از نیروی برهم‌کنش میان اتم‌های لایه نازک باشد. در رشد لایه به لایه، ابتدا یک لایه از اتم‌ها روی زیرلایه جامد شکل راسب شده و سپس لایه دوم روی لایه اول تشکیل می‌شود. در این مکانیزم رشد، لایه جدید تنها زمانی شروع به رشد می‌کند که لایه قبلی کامل شده باشد. این نوع رشد نیازمند تطابق شبکه اتم‌های موجود بوده و از این‌رو به‌عنوان مکانیزم رشد ایده‌آل (ideal growth mechanism) در نظر گرفته می‌شود. این نوع رشد، به رشد فرانک ون‌درمرو (Frank-van der Merwe growth) نیز معروف است.

در صورتی‌که برهم‌کنش بین اتم‌های لایه نازک بیشتر از برهم‌کنش بین اتم‌های لایه نازک و زیرلایه باشد، لایه‌ نازک به‌شکل جزیره‌ای رشد خواهد کرد. نام دیگر این نوع رشد، رشد ولمر-وبر (Volmer-Weber) است. در رشد جزیره‌ای، پیوند اتم‌ها به یک‌دیگر قوی‌تر از پیوند آن‌ها به زیرلایه است.

رشد جزیره‌ای-لایه‌ای، حالت بینابین رشد لایه به لایه و رشد جزیره‌ای است که در آن، ابتدا یک یا چند تک‌لایه تشکیل شده و سپس جزایر تکمیل می‌شوند. این مکانیزم رشد، با نام رشد استرانسکی-کرستانف (Stranski-Krastanov growth) هم شناخته می‌شود. در این مکانیزم رشد، یک شبکه با تطابق بسیار کم (حتی نامطابق) بین لایه نازک راسب شده و زیرلایه ایجاد می‌شود. اندازه دانه لایه نازک راسب شده روی زیرلایه بستگی به سرعت و دمای لایه‌نشانی دارد.

5- برآرایی (Epitaxy)
برآرایی یا رونشست روشی برای پوشش‌دهی لایه‌ای تک‌بلور روی زیرلایه‌ای تک‌بلور است. به این لایه پوششی، لایه برآرایی گفته می‌شود. رشد برآرایی مواد یکی از زیرمجموعه‌های رسوب‌دهی لایه‌های نازک به‌شمار می‌رود که شامل رسوب‌دهی لایه نازک کریستالی است؛ به‌طوری‌که لایه همان ساختار کریستالی زیرلایه را دنبال کند. برآرایی به دو دسته همگن (homoepitaxy) و ناهمگن (hetroepitaxy) تقسیم‌بندی می‌شود. در برآرایی همگن، ترکیب لایه با زیرلایه یکسان بوده و در برآرایی ناهمگن ترکیب این دو متفاوت خواهد بود. از برآرایی همگن برای رشد لایه‌ای که خالص‌تر از زیرلایه باشد استفاده می‌شود. روش‌های مورد استفاده برای رشد هم‌محور (epitaxial growth) لایه‌های نازک عبارتند از:

• برآرایی باریکه مولکولی (molecular beam epitaxy)
• رسوب‌دهی شیمیایی از بخار (Chemical vapor deposition)
• رسوب‌دهی لیزر پالسی (Pulsed laser deposition)

رشد هم‌محور یک موضوع بسیار مهم در کاربردهای عملی به خصوص در تولید ادوات نیمه‌رسانا مانند هدهای ضبط‌کننده به‌شمار می‌رود.

6- کیفیت لایه‌های نازک
کیفیت لایه‌های نازک به‌شدت متأثر از نوع کاربرد آن‌ها بوده و با تغییر کاربرد این لایه‌ها می‌توان عوامل مؤثر بر خواص و کیفیت را به نحوی تغییر داد که برای استفاده در کاربرد مورد نظر مطلوب باشد. عوامل تعیین‌کننده خواص و کیفیت لایه‌های نازک عبارتند از: سرعت لایه‌نشانی، دمای زیرلایه، نوع خلأ، نظم اتمی لایه نازک و زیرلایه و ساختار زیرلایه و تطابق آن با ساختار لایه نازک.

زیرلایه نقش بسیار مهمی در تعیین کیفیت لایه نازک ایفا می‌کند. در ادامه به برخی ویژگی‌های زیرلایه که کیفیت لایه سنتز شده را تحت تأثیر قرار می‌دهد، اشاره می‌شود. برای افزایش کیفیت لایه نازک سنتز شده، باید فصل مشترک لایه نازک و زیرلایه، صاف (مسطح) بوده و عاری از هرگونه آلودگی و ناخالصی باشد. یک نکته بسیار مهم در تعیین خواص و کیفیت لایه نازک، بررسی احتمال وقوع واکنش‌های شیمیایی بین زیرلایه و لایه نازک است. در برخی موارد امکان تغییر خواص مورد نظر یا حتی ناکارآمدی لایه نازک سنتز شده با وقوع واکنش شیمیایی بین زیرلایه و لایه نازک وجود دارد. ضریب انبساط حرارتی لایه نازک و زیرلایه یک پارامتر مهم دیگر در تعیین کیفیت لایه‌های نازک به‌شمار می‌رود؛ به‌طوری‌که اگر تفاوت ضریب انبساط حرارتی بین لایه نازک و زیرلایه زیاد باشد، لایه نازک سنتز شده یا چروکیده شده یا پاره می‌شود. در نهایت، زیرلایه باید از پایداری مکانیکی و حرارتی مناسبی برخوردار باشد تا در برابر شوک‌های مکانیکی و حرارتی مقاومت کرده و از آسیب دیدن لایه نازک جلوگیری کند.

نتیجه‌گیری
به‌طور کلی، لایه به ماده یا موادی گفته می‌شود که به صورت یک پوشش روی سطح یا ماده راسب شده و باعث تغییر خواص موجود یا ایجاد خواص الکتریکی، فیزیکی، مکانیکی، تریبولوزیکی و خوردگی جدید در سطح می‌شود. لایه نازک به لایه‌ای از مواد گفته می‌شود که دارای ضخامت نانومتری تا میکرومتری است. در این مقاله به بررسی مفهوم، اهمیت و تاریخچه لایه‌های نازک، و هم‌چنین فیزیک و کیفیت این لایه‌ها پرداخته شد. گفته شد که لایه‌ها و پوشش‌های مختلف از لحاظ ضخامت به سه گروه ضخیم، نازک و بسیار نازک تقسیم‌بندی می‌شوند که ضخامت لایه‌های نازک بین 50 تا 5000 آنگستروم است. اشاره شد که لایه‌های نازک و بسیار نازک، از دو ویژگی مهم شامل ضخامت زیرمیکرونی و نسبت سطح به ضخامت فوق‌العاده بزرگ برخوردار هستند. گفته شد که رشد چشم‌گیر ارتباطات، پردازش اطلاعات، ذخیره‌سازی، صفحه‌های نمایش، صنایع تزئینی، ابزارآلات نوری، مواد سخت و عایق‌ها از ثمره‌های سنتز لایه‌های نازک با فناوری‌های نوین است. اشاره شد که لایه‌های نازک از زمانی‌که سیستم‌های خلأ برای اولین بار مورد استفاده قرار گرفت تهیه می‌شدند؛ با این وجود، سنتز لایه‌هایی با هدف تولید ادوات مختلف از حدود 55 سال پیش آغاز شد. اولین لایه‌های نازک مورد استفاده برای اهداف اپتیکی شامل پوشش لایه نازک فلزی روی شیشه یا پلاستیک بودند. تأکید شد که خواص لایه نازک راسب شده روی زیرلایه، در مقایسه با مواد بالک بسیار متفاوت بوده و بستگی شدیدی به ساختار فازی و مورفولوژی آن‌ها دارد. فرآیندهای جوانه‌زنی و رشد، تعیین‌کننده خواص مختلف لایه‌های نازک مانند اندازه، مورفولوژی و جهت‌گیری دانه‌ها هستند. دو شرط لازم برای دست‌یابی به لایه‌ای نازک با سطح صاف شامل تحرک (موبیلیته) کافی اتم‌های نفوذکننده به سطح و دمای بالا معرفی شدند. سه مرحله تشکیل لایه نازک از ماده اولیه، روی سطح زیرلایه مورد بررسی قرار گرفت. اشاره شد که سه نوع رشد برای لایه‌های نازک پیشنهاد شده است که عبارتند از: رشد لایه به لایه، رشد جزیره‌ای، رشد لایه‌ای-جزیره‌ای یا رشد به‌صورت جزیره‌های مشترک. تأکید شد که کیفیت لایه‌های نازک به‌شدت متأثر از نوع کاربرد آن‌ها بوده و با تغییر کاربرد این لایه‌ها می‌توان عوامل مؤثر بر خواص و کیفیت را به نحوی تغییر داد که برای استفاده در کاربرد مورد نظر مطلوب باشد. عوامل تعیین‌کننده خواص و کیفیت لایه‌های نازک عبارتند از: سرعت لایه‌نشانی، دمای زیرلایه، نوع خلأ، نظم اتمی لایه نازک و زیرلایه و ساختار زیرلایه و تطابق آن با ساختار لایه نازک. تأکید شد که زیرلایه نقش بسیار مهمی در تعیین کیفیت لایه نازک ایفا می‌کند.

فیلم زیر، مقدمه کوتاهی در ارتباط با نانو‌پوشش‌ها را نمایش می‌دهد.