Deposizione di strati atomici (ALD) utilizzata per creare un rivestimento ultranero perfetto per osservare il cosmo

I ricercatori dell’Università di Shanghai per la scienza e la tecnologia e dell’Accademia cinese delle scienze hanno raggiunto un traguardo importante dopo aver utilizzato con successo un nuovo metodo di deposizione di strati atomici (ALD) per applicare un rivestimento ultra nero su una superficie irregolare. Il rivestimento aggiornato è più resistente ed efficace rispetto ai suoi predecessori. Pertanto, lo sviluppo potrebbe avere importanti implicazioni per molteplici settori, tra cui l’ottica, l’esplorazione spaziale, le energie rinnovabili e molto altro. Ecco cosa devi sapere.

I ricercatori hanno pubblicato le loro scoperte e spiegato in dettaglio come hanno creato un rivestimento a film sottile ultra-nero durevole progettato specificamente per le leghe di magnesio di grado aerospaziale. Queste leghe sono comunemente utilizzate nell'esplorazione spaziale, dove peso e durata sono le principali preoccupazioni.

Fonte – Photonexpert – Inventore della deposizione di strati atomici (ALD), Dr. Tuomo Suntola

Coloro che non hanno familiarità con il processo utilizzato per creare dispositivi e ottiche ad alta tecnologia potrebbero non comprendere l’importanza vitale di trovare materiale nero non riflettente. In particolare, la luce diffusa può causare interruzioni in questi dispositivi e ridurne significativamente la qualità. Di conseguenza, c'è stata una linea costante di miglioramenti alla ricerca del materiale più nero e antiriflesso.

Questi rivestimenti contribuiranno a far avanzare le tecnologie aerospaziali in cui nuove combinazioni di materiali possono creare materiali più resistenti. Questi materiali leggeri si trovano su molti satelliti, veicoli spaziali e tute. Sono comunemente utilizzati anche nel settore aeronautico per la loro resilienza e comprovata durata.

Alla ricerca del nero più nero

Con il continuo aumento dell’ottica di precisione, aumenta anche la domanda di materiali che assorbono la luce. Fino a poco tempo fa, una sottile pellicola nera veniva utilizzata per creare un materiale antiriflesso che assorbe la luce all'interno degli obiettivi delle fotocamere e di altri dispositivi curvi o dalla forma strana. Il rivestimento ALD fornisce una soluzione migliore che può essere applicata più facilmente ed è resistente a condizioni estreme. Il processo crea strati super sottili e uniformi che non lasciano intatta alcuna area.

Problemi con gli attuali materiali e metodi di rivestimento

Sono molte le ragioni per cui le attuali tecniche di rivestimento ultra-nero non sono sufficienti per gli odierni dispositivi ottici ed elettronici di fascia alta. Le tecniche di rivestimento più popolari attualmente si basano su rivestimenti che utilizzano materiali fragili, inclusi nanotubi di carbonio allineati verticalmente o silicio nero. Questi materiali non possono resistere ad ambienti difficili senza degradarsi rapidamente. Sono anche costosi e difficili da creare.

Inoltre, è difficile applicare questi rivestimenti a strutture complicate. Poiché un'applicazione non uniforme comporta una minore durata e prestazioni ridotte, un numero maggiore di ricercatori si è dedicato alla creazione di alternative più assorbenti. Man mano che le lenti e altri dispositivi ottici diventano più complessi, diventa fondamentale ricercare e creare modi migliori per applicare in modo uniforme materiale non riflettente che assorbe la luce.

Inserisci la deposizione di strati atomici (ALD)

La deposizione di strati atomici (ALD) aiuta a risolvere molti dei principali problemi affrontati da produttori e ricercatori in materia di rivestimenti. Il processo si basa su stanze sottovuoto in cui il gas viene pompato e lascia uno strato sottile sulla superficie. Questo metodo è chiamato crescita della pellicola e fornisce ai produttori un modo semplice per realizzare materiali complessi utilizzando strati.

Il metodo ALD ha prodotto risultati impressionanti con un test che ha dimostrato che il 99.3% della luce è stata assorbita da questo materiale ultra nero. Questi miglioramenti derivano dalla copertura della pellicola più uniforme e dall'uso di nuovi materiali che assorbono la luce. Nello specifico, i ricercatori introducono un nuovo metodo che utilizza due strati per migliorare la durabilità.

Lo strato di base utilizza un composito titanio-alluminio-carbonio (TiAlC). Questa composizione ha qualità di assorbimento ultraleggere e può resistere a un uso intensivo in ambienti difficili, compreso lo spazio. Il secondo strato utilizza un materiale dielettrico nitruro di silicio (SiO2) ideale per prevenire le riflessioni. Insieme, questi strati possono assorbire il 99.3% della luce attraverso un intervallo di lunghezze d’onda.

Storia dell'ALD

L’idea di utilizzare l’ALD per applicare rivestimenti sottili esiste da oltre 60 anni. È interessante notare che due inventori hanno rivendicato la scoperta della tecnologia. Questi sforzi indipendenti hanno affrontato il processo in modo diverso ma hanno ottenuto gli stessi risultati: un sottile strato atomico di rivestimento.

Negli anni ’1960, i ricercatori sovietici riuscirono a raggiungere questo obiettivo utilizzando un processo chiamato stratificazione molecolare. La scoperta non fu immediatamente riconosciuta in Occidente poiché il clima politico era teso dopo la fine della Seconda Guerra Mondiale. Tuttavia, molti ricercatori si sono resi conto presto che questa tecnologia sarebbe stata fondamentale nei dispositivi di prossima generazione.

Un decennio dopo, un gruppo di ricerca finlandese guidato dal dottor Tuomo Suntola ha utilizzato con successo un nuovo metodo chiamato epitassia dello strato atomico per fornire ai dispositivi strati sottili e uniformi di materiale che assorbe la luce. Questo metodo ha avuto un successo immediato tra i produttori, portando la Finlandia a diventare per decenni un hub per lo sviluppo dell’ALD.

Da lì, la scienza dell’ALD ha continuato ad espandersi con scoperte avvenute nel fotovoltaico, nella catalisi, nella produzione di semiconduttori e altro ancora. Oggi vivi in ​​un mondo circondato da questa tecnologia. Dal tuo smartphone ai pannelli solari che alimentano la tua casa, i processi ALD hanno migliorato la vita di miliardi di persone.

Sorprendentemente, gli ultimi processi si sono sviluppati al punto da poter depositare pellicole uniformi e conformi su oggetti 3D complessi con precisione atomica. ALD offre un rivestimento ultrasottile che può arrivare fino allo spessore di un atomo. In particolare, il rivestimento è così sottile che può essere considerato 2D.

Usi dell'ALD

Oggi, i processi produttivi ALD sono una componente cruciale del mercato. Questi strati sottili forniscono un modo forte ed efficace per proteggere gli oggetti da fonti di energia indesiderate. Ecco alcuni dei modi più interessanti in cui l’ALD potrebbe migliorare la tua vita in futuro.

Celle Fotovoltaiche

I ricercatori hanno fatto passi da gigante nel fotovoltaico grazie all'uso della tecnologia ALD per sperimentare nuovi materiali e strutture. I pannelli solari di oggi sono inefficienti e l'opzione migliore raggiunge in media solo il 30% di conversione energetica. Gran parte di questa energia viene persa nel calore e riflessa dalla superficie delle cellule nell'atmosfera.

I pannelli solari ALD potrebbero catturare più luce e prevenire perdite. Inoltre, potrebbero essere realizzati per resistere agli ambienti più difficili, compresi quelli presenti su altri pianeti dove sarebbero tenuti a far funzionare dispositivi di esplorazione spaziale per anni. Pertanto, molti credono che le celle solari ALD saranno ciò che alimenterà il prossimo rover lunare e altre imprese spaziali.

Batterie al litio

La tecnologia delle batterie agli ioni di litio (LIB) fornisce batterie ad alta densità di energia e bassa autoscarica. Queste batterie si basano su reazioni chimiche che si verificano tra l'elettrolita e l'anodo. Purtroppo, le attuali interfacce elettrolitiche solide (SEI) consumano permanentemente una percentuale degli ioni, rendendoli dispendiosi.

L’uso dell’ALD per rivestire gli strati di elettroni potrebbe aiutare a prevenire perdite di prestazioni e ridurre il degrado nel tempo. I processi ALD possono svolgere questi compiti perché sono sottili e possono essere applicati in modo uniforme senza fori nella superficie a livello atomico. Questo rivestimento previene la contaminazione incrociata indesiderata a livello atomico.

Microchip

La tecnologia dei microchip continua a rivoluzionare il mondo rendendo i dispositivi elettronici più avanzati più piccoli e più affidabili. L'attuale microchip è anni luce avanti rispetto al suo predecessore, ma presenta ancora delle carenze sotto molti aspetti. Innanzitutto, consuma molta energia, il che significa che tutti i tuoi dispositivi intelligenti equivalgono a un notevole consumo di energia.

Riconoscendo l'importanza della sostenibilità energetica, il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha assegnato all'Argonne National Laboratory del DOE 4 milioni di dollari per finanziare la ricerca sui chip ALD di prossima generazione. L'obiettivo del progetto è trovare nuovi materiali in grado di ridurre il fabbisogno energetico dei microchip fino a 50 volte. In caso di successo, l’intero mercato potrebbe trarne vantaggio.

Parte dell’approccio cerca di risolvere il “Von Neumann collo di bottiglia" che è un termine che si riferisce all'enorme quantità di energia utilizzata dai computer semplicemente spostando i dati tra i chip logici e di memoria. Argonne utilizzerà l'ALD per creare alternative a basso consumo energetico per contribuire a combattere il consumo eccessivo di energia prima che sia troppo tardi.

lo spazio

L’esplorazione spaziale è uno dei settori in cui l’ALD ha avuto un ruolo significativo nell’ultimo decennio. La ricerca spaziale richiede dispositivi in ​​grado di gestire ambienti avversi diversi da qualsiasi cosa sulla Terra. Un satellite potrebbe dover resistere a temperature di +500Fh su un lato, mentre l'altro lato del dispositivo gela a temperature inferiori allo zero.

Queste temperature e condizioni estreme possono provocare danni ai dispositivi ottici ed elettronici. ALD fornisce la migliore soluzione a questi problemi. Inoltre, i ricercatori continuano ad espandere le sue capacità di assorbimento della luce. L'ottica spaziale odierna si basa su materiali in grado di assorbire anche la luce ultravioletta e infrarossa per fornire un ambiente luminoso e sterile.

Leader del mercato ALD

Il mercato ALD continua ad espandersi per soddisfare la crescente domanda di produttori e ricercatori di elettronica. Questi fornitori ALD si sono assicurati forti partenariati strategici e hanno dimostrato di fornire servizi affidabili. Ecco solo alcuni dei principali fornitori di ALD che guidano l’innovazione oggi.

1. Argonne

Azioni depositarie americane di Adlai Nortye Ltd (ANL + 1.06%)

Argonne è un famoso centro di ricerca che collabora con produttori high-tech, governi e altri ricercatori per creare opzioni di rivestimento avanzate. L'azienda è nata negli anni '1940 come propaggine del Progetto Manhattan. Allora l’energia atomica era vista come il futuro.

Da quel momento, Argonne è diventato un centro di ricerca scientifica e ingegneristica multidisciplinare, ma si concentra ancora principalmente sulla sostenibilità energetica. Il gruppo sfrutta la sua posizione nel centro di Chicago per accedere a una varietà di settori e stimolare la creatività nei mercati della fisica energetica e della scienza dei materiali.

2. Beneq

(Privato)

Nel 1984, Beneq è diventata la prima linea di produzione industriale al mondo a integrare i metodi ALD nei propri processi. Questa azienda finlandese di proprietà privata è stata pioniera nel mercato sin dalla creazione di ALD. Oggi fornisce apparecchiature ALD di fascia alta alle aziende ed è specializzata nei processi di produzione di semiconduttori.

Beneq rimane una forza pionieristica nel settore ALD ed è stato riconosciuto come uno dei nomi più affermati in questo elenco. Il gruppo continua a offrire soluzioni di rivestimento nuove e innovative. In quanto tale, molti lo considerano un leader di mercato.

3. Attrezzatura CVD

Società per attrezzature CVD (CVV -1.53%)

CVD Equipment è un altro fornitore ALD molto rispettato. Il gruppo si è guadagnato la reputazione di fornire al mercato apparecchiature precise e affidabili per la deposizione di vapori chimici e processi termici. Oggi, CVD serve molteplici settori, compresi i settori automobilistico e aerospaziale.

CVD offre servizi da oltre 40 anni. questa esperienza ha permesso all'azienda di posizionarsi come una forza pionieristica nel mercato. Ha inoltre consentito all'azienda di migliorare e ottimizzare i propri processi per massimizzare le prestazioni.

4. Applied Materials

Applied Materials, Inc. (AMAT -4.93%)

Applied Materials è diventata uno dei principali attori nel mercato ALD dopo aver acquisito Picosun nel 2020. A quel tempo, Picosun era uno dei fornitori ALD più attivi nel settore. Applied Materials ha sfruttato la propria esperienza e rete per innovare nuovi metodi e strategie per l'applicazione di strati ultrasottili.

Oggi, Applied Material offre servizi ALD a clienti di livello aziendale. Questi servizi includono linee di produzione chiavi in ​​mano e offerte di ricerca. Inoltre, le aziende possono sfruttare la consulenza di Applied Materials per semplificare la creazione e l'integrazione dei servizi ALD.

L’intelligenza artificiale migliora l’ALD

Uno dei motivi per cui l’ALD è migliorato negli ultimi anni è l’integrazione degli algoritmi AI. Nello specifico, gli algoritmi di apprendimento automatico consentono agli sviluppatori di creare e sperimentare virtualmente nuovi composti. Questa capacità riduce significativamente i costi di ricerca e sviluppo e consente agli sviluppatori di vedere come interagiscono determinati materiali senza bisogno di macchine speciali per svolgere l'attività.

Gli algoritmi di apprendimento automatico possono eseguire milioni di prove per trovare potenziali punti deboli o soglie. Questo stile di intelligenza artificiale è molto efficace e richiede solo di essere insegnato una volta per completare le attività in modo ottimale. Inoltre, l’apprendimento delle reti neurali potrebbe vedere l’intelligenza artificiale consigliare nuovi materiali e condurre test e sviluppo per conto proprio.

La simulazione AI è un punto di svolta per molte ragioni. Per prima cosa, questi test consentono di testare le loro creazioni al limite assoluto senza danneggiare gli oggetti nel mondo reale. Gli sviluppatori possono creare, testare e riadattare praticamente tutto prima ancora di investire finanziamenti nei metodi di produzione. In questo modo, l’intelligenza artificiale potrebbe essere la chiave per sbloccare nuovi livelli di resilienza e metodi di applicazione in futuro.

Espansione del mercato ALD

Il mercato ALD è in aumento, con rapporti che mostrano che +4.46 miliardi di ricavi sono stati generati dalla vendita di apparecchiature ALD nel 2023. Gli stessi dati evidenziano un potenziale di crescita significativo in futuro, con un CAGR dell’8.90% previsto nel prossimo decennio nel Solo mercato americano.

Il rapporto mostra anche che l’aumento della domanda è il risultato della continua miniaturizzazione dei dispositivi elettronici e del miglioramento dei processi produttivi. I processi più recenti migliorano la qualità e riducono i costi delle applicazioni. Lo stesso rapporto mostra anche come l’aumento della domanda di pannelli solari sia un altro catalizzatore dell’espansione dell’ALD.

Può sempre diventare più nero

La scienza della creazione del materiale più nero continuerà ad evolversi e a guidare l’innovazione in tutti i settori scientifici. Dai dispositivi ottici di fascia alta all'esplorazione dello spazio e alla cattura dei raggi solari, le tecnologie ALD sono in prima linea nell'innovazione. Per questi motivi, è intelligente tenere d’occhio queste aziende nei prossimi mesi.

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