Laserowa obróbka inteligentnych materiałów w niskich temperaturach

Laserowa obróbka inteligentnych materiałów w niskich temperaturach

Gdyby naukowcy mogli zintegrować niektóre wynalezione niedawno materiały aktywne, jak perowskity, z obwodami CMOS, albo bezpośrednio z elastycznymi polimerowymi podłożami, aplikacje takie jak mikroczujniki, siłowniki, czy przetworniki, mogłyby być znacząco mniejsze.

Przeszkodą jest to, że aby cienka powłoka perowskitowi była funkcjonalna, musi być skrystalizowana, a to wymaga wysokich temperatur. Natomiast chipy komputerowe nie są w stanie wytrzymać temperatur wymaganych w procesie krystalizacji.

Rozwiązanie tej kwestii znalazł Srowthi Bharadwaja wchodzący w skład zespołu badawczego Susan Trolier-McKinstry, dyrektor Laboratorium Integrowania Inteligentnych Materiałów im. W.M. Kecka w Instytucie Badań nad Materiałami.

„Problem polega na tym, jak materiał, który zyskuje swoje własności podczas procesu krystalizacji w 700 stopniach Celsjusza z substratami, które są w stanie wytrzymać jedynie temperatury 200 do 400 stopni Celsjusza.” – stwierdziła Trolier-McKinstry. „Trudno jest umieścić warstwę dostrajanych materiałów dielektrycznych, czy piro- albo piezoelektryków na podłożach krystalizując je, a równocześnie utrzymując dostatecznie niską temperaturę.” – dodała.

Dielektryki, piroelektryki i piezoelektryki znajdują wiele zastosowań w miniaturowych silnikach, antenach, mechanizmach ‘autofokus’ w aparatach, komputerowych dyskach twardych, czy dziesiątkach innych codziennych zastosowań. Dzisiejszy rynek samych urządzeń piezoelektrycznych szacowany jest na 10 miliardów dolarów rocznie.

Wykorzystując laser ekscymerowy, naukowcy wyżarzyli płytkę pokrytą cienka warstwą ferroelektryka na bazie ołowiu. Utrzymując temperaturę podłoża poniżej 370 stopni Celsjusza, wykrystalizowali następnie krótkimi pulsami lasera amorficzną powłokę. Jedynym ograniczeniem tego systemu jest grubość powłoki ograniczona do zaledwie około 0,5 mikrona, w zależności od tego, czy pulsy są w stanie wniknąć na tyle głęboko, by skrystalizować całą powłokę.

„Użyliśmy 20 nanosekundowych pulsów lasera ekscymerowego.” – stwierdził Bharadwaja. „Rozproszyliśmy energię na wierzchu próbki tak, by ogrzać cienką powłokę bez przegrzania podłoża. Zasada jest dość prosta, jednakże ze względu na relatywnie niewielkie doświadczenie w obróbce powłok brak jest potwierdzonej wiedzy dotyczącej związku pomiędzy strukturą, procesem przetwarzania, czy właściwości materiałów. Do tego dochodzi dostrojenie wielu parametrów lasera, gazu, czy gęstości energii. Czynniki te są istotne ze względu na skalowalność dla zastosowań przemysłowych.” – dodał.

„W procesie można wykorzystać również laser świecący w paśmie poczerwieni, powszechnie wykorzystywany w przemyśle.” – powiedziała Trolier-McKinstry. „Zamiast skupiać energię w celu wytworzenia plazmy, rozpraszamy energię na większym obszarze.”

Możliwość krystalizowania cienkich powłok za pomocą laserów jest techniką, która może znaleźć zastosowanie w wielu różnych dziedzinach, w tym w produkcji półprzewodników, pamięci komputerowych, czy zintegrowanych elementów pasywnych. Wiele firm chętnie by zainstalowało w swoich obwodach drukowanych stanowiących serce komputerów i komórek, lepsze kondensatory. Jednakże te małe zielone płytki (FR4) są już tak zapełnione elementami, że trudno dziś myśleć o ich zmniejszeniu. Jednym z rozwiązań jest umieszczenie kondensatorów na elastycznym materiale, który można by układać warstwami.

W odróżnieniu od wielu technologii, których przydatność ograniczała się do laboratorium, obróbka laserowa Bharadwaja wydaje się mieć ogromny potencjał dla przemysłu.

Bharadwaja wciąż pracuje nad udoskonaleniem technologii, próbując nowych materiałów i podłoży tak, by zrozumieć zjawisko krystalizacji i przyspieszyć proces. Udało się całkowicie wykrystalizować 6 milimetrową płytkę w 70 minut, co stanowi połowę czasu narzuconego przez przemysł.

„To, czemu przyglądamy się teraz, to możliwość wyżarzania laserowego podczas procesu osadzania.” – powiedział Bharadwaja. „W ten sposób moglibyśmy skrócić czas obróbki, obniżyć jej koszt i poprawić skalowalność dla przemysłu. Powinno to też umożliwić obrabianie powłok grubszych niż 0,5 mikrona.”

Przeniesienie wynalazku z laboratorium na rynek zawsze wiąże się z ryzykiem. „To coś, co jest już poza naszą kontrolą,” – przyznała Trolier-McKinstry. Jednakże po 10 latach prac technologia ta wydaje się być całkiem dobra.

(lk)