الأغشية الرقيقة

الامتزاز هو تفاعل ذرة أو جزيء بخار مع سطح مادة ما. يتميز هذا التفاعل بمعامل الالتصاق ، وهو نسبة الجزيئات الداخلة المتوازنة حراريًا مع السطح. أما الإزالة فهي عكس الامتزاز، حيث يتغلب جزيء ممتز سابقًا على طاقة الارتباط ويغادر سطح المادة.

يُفرّق بين نوعي الامتزاز، الامتزاز الفيزيائي والامتزاز الكيميائي ، بناءً على قوة التفاعلات الذرية. يصف الامتزاز الفيزيائي رابطة فان دير فالس بين جزيء ممتد أو منحني والسطح، وتتميز هذه الرابطة بطاقة الامتزاز.${\displaystyle E_{p}}$تفقد الجزيئات المتبخرة طاقتها الحركية بسرعة، وتقلل من طاقتها الحرة عن طريق الارتباط بذرات السطح. يصف الامتزاز الكيميائي انتقال الإلكترونات القوي ( رابطة أيونية أو تساهمية ) بين الجزيء وذرات الركيزة، ويتميز بطاقة الامتزاز.${\displaystyle E_{c}}$يمكن تصور عملية الامتزاز الفيزيائي والكيميائي من خلال طاقة الوضع كدالة للمسافة. تكون مسافة التوازن للامتزاز الفيزيائي أبعد عن السطح من مسافة التوازن للامتزاز الكيميائي. ويخضع الانتقال من حالة الامتزاز الفيزيائي إلى حالة الامتزاز الكيميائي لحاجز الطاقة الفعال.${\displaystyle E_{a}}$[ ^{2 ]​}

تحتوي أسطح البلورات على مواقع ارتباط محددة ذات أحجام أكبر${\displaystyle E_{a}}$القيم التي يُفضل أن تشغلها جزيئات البخار لتقليل الطاقة الحرة الكلية. غالبًا ما توجد هذه المواقع المستقرة على حواف الدرجات والفراغات والانخلاعات اللولبية. بعد امتلاء المواقع الأكثر استقرارًا، يصبح تفاعل الذرات الممتزة مع بعضها (جزيئات البخار) مهمًا. ^{[ 3 ]}

يمكن نمذجة حركية التكوين النووي مع الأخذ في الاعتبار الامتزاز والتحلل فقط. لنبدأ بالنظر في الحالة التي لا توجد فيها تفاعلات متبادلة بين الذرات الممتزة ، ولا تكتلات أو تفاعل مع حواف الدرجات.

معدل تغير كثافة سطح الذرات الممتزة${\displaystyle n}$، أين${\displaystyle J}$هو التدفق الصافي، ${\displaystyle \tau _{a}}$هو متوسط ​​عمر السطح قبل عملية الامتزاز و${\displaystyle \sigma }$معامل الالتصاق:

${\displaystyle {dn \over dt}=J\sigma -{n \over \tau _{a}}}$

${\displaystyle n=J\sigma \tau _{a}\left[1-\exp \left({-t \over \tau _{a}}\right)\right]n=J\sigma \tau _{a}\left[\exp \left({-t \over \tau _{a}}\right)\right]}$

يمكن أيضًا نمذجة الامتزاز باستخدام نماذج امتزاز مختلفة مثل نموذج لانغموير ونموذج BET . ويستنتج نموذج لانغموير ثابت التوازن.${\displaystyle b}$يعتمد هذا النموذج على تفاعل امتزاز ذرات البخار مع الفراغات على سطح الركيزة. ويتوسع نموذج BET ليشمل ترسب الذرات على الذرات الممتزة سابقًا دون تفاعل بين مجموعات الذرات المتجاورة. وتُحسب التغطية السطحية الناتجة بدلالة ضغط البخار عند الاتزان والضغط المُطبق.

نموذج لانغمير حيث${\displaystyle P_{A}}$يمثل ضغط بخار الذرات الممتزة:

${\displaystyle \theta ={bP_{A} \over (1+bP_{A})}}$

نموذج BET حيث${\displaystyle p_{e}}$يمثل ضغط بخار التوازن للذرات الممتزة و${\displaystyle p}$يمثل ضغط البخار المطبق للذرات الممتزة:

${\displaystyle \theta ={Xp \over (p_{e}-p)\left[1+(X-1){p \over p_{e}}\right]}}$

تجدر الإشارة إلى أن بنية البلورات السطحية تختلف عن بنية البلورات الداخلية لتقليل طاقات الإلكترونات الحرة وطاقات الروابط الكلية نتيجةً للروابط المكسورة على السطح. قد ينتج عن ذلك وضع توازن جديد يُعرف باسم "الحافة الذاتية"، حيث تُحفظ تناظرية الشبكة البلورية الداخلية المتوازية. قد تُسبب هذه الظاهرة انحرافات عن الحسابات النظرية للتنوي. ^{[ 2 ]}

يصف الانتشار السطحي الحركة الجانبية للذرات الممتزة التي تنتقل بين أدنى مستويات الطاقة على سطح الركيزة. ويحدث الانتشار بسهولة أكبر بين المواضع ذات أقل حواجز طاقة كامنة. ويمكن قياس الانتشار السطحي باستخدام تشتت الأيونات بزاوية مائلة. ويمكن وصف متوسط ​​الزمن بين الأحداث بالمعادلة التالية: ^{[ 2 ]}

${\displaystyle \tau _{d}=(1/v_{1})\exp(E_{d}/kT_{s})}$

إضافةً إلى هجرة الذرات الممتزة، يمكن أن تندمج تجمعات الذرات الممتزة أو تتناقص. يحدث اندماج التجمعات من خلال عمليات مثل نضج أوستوالد والتلبيد، استجابةً لتقليل طاقة السطح الكلية للنظام. يصف نضج أوستوالد العملية التي تنمو فيها جزر الذرات الممتزة ذات الأحجام المختلفة لتصبح أكبر على حساب الجزر الأصغر. أما التلبيد فهو آلية الاندماج عندما تتلامس الجزر وتتحد. ^{[ 2 ]}

هنا، يخضع سائل أولي لتغير كيميائي على سطح صلب، تاركًا طبقة صلبة. ومن الأمثلة الشائعة تكوّن السخام على جسم بارد عند وضعه داخل اللهب. ولأن السائل يحيط بالجسم الصلب، يحدث الترسيب على كل سطح، دون مراعاة كبيرة للاتجاه؛ فالأغشية الرقيقة الناتجة عن تقنيات الترسيب الكيميائي تميل إلى أن تكون متجانسة ، وليست موجهة .

يتم تصنيف الترسيب الكيميائي بشكل إضافي حسب طور المادة الأولية:

تعتمد عملية الطلاء على مواد أولية سائلة، غالباً ما تكون محلولاً مائياً مع ملح المعدن المراد ترسيبه. بعض عمليات الطلاء تعتمد كلياً على الكواشف الموجودة في المحلول (عادةً للمعادن النفيسة )، ولكن تبقى عملية الطلاء الكهربائي هي الأهم تجارياً . في صناعة أشباه الموصلات، يُستخدم حالياً شكل متطور من الطلاء الكهربائي يُعرف بالترسيب الكهروكيميائي لإنتاج أسلاك النحاس الموصلة في الرقائق المتطورة، ليحل محل عمليات الترسيب الكيميائي والفيزيائي المستخدمة في أجيال الرقائق السابقة لأسلاك الألومنيوم ^{[ 5 ].}

تعتمد عملية الترسيب الكيميائي باستخدام المحلول أو الحمام الكيميائي على استخدام مادة أولية سائلة، عادةً ما تكون محلولًا من مساحيق المركبات العضوية المعدنية المذابة في مذيب عضوي. تُعد هذه العملية بسيطة وغير مكلفة نسبيًا، وتُنتج أغشية رقيقة ذات أطوار بلورية دقيقة من حيث التركيب الكيميائي. تُعرف هذه التقنية أيضًا باسم طريقة سول-جل ، لأن المحلول يتطور تدريجيًا نحو تكوين نظام ثنائي الطور يشبه الهلام.

تعتمد طريقة لانغمير -بلودجيت على استخدام جزيئات تطفو على سطح طبقة مائية. يتم التحكم في كثافة تعبئة الجزيئات، ثم تُنقل الطبقة الأحادية المعبأة إلى ركيزة صلبة عن طريق سحب الركيزة الصلبة من الطبقة المائية بشكل مُتحكم فيه. يتيح ذلك إنشاء أغشية رقيقة من جزيئات متنوعة، مثل الجسيمات النانوية والبوليمرات والدهون، مع التحكم في كثافة تعبئة الجسيمات وسُمك الطبقة. ^{[ 6 ]}

تستخدم عملية الطلاء بالدوران ، أو الصب بالدوران، مادةً أوليةً سائلةً أو مادةً أوليةً من نوع سول-جل تُرسب على سطح أملس ومستوٍ، ثم تُدار بسرعة عالية لنشر المحلول بالطرد المركزي على السطح. وتحدد سرعة دوران المحلول ولزوجة السول سمك الطبقة النهائية المُرسبة. ويمكن تكرار عمليات الترسيب لزيادة سمك الطبقات حسب الرغبة. وغالبًا ما تُجرى معالجة حرارية لتبلور الطبقة غير المتبلورة المطلية بالدوران. ويمكن أن تُظهر هذه الطبقات المتبلورة اتجاهات مفضلة معينة بعد التبلور على ركائز أحادية البلورة . ^{[ 7 ]}

تُشبه عملية الطلاء بالغمس عملية الطلاء بالدوران من حيث ترسيب مادة سائلة أو مادة هلامية على سطح ما، ولكن في هذه الحالة، يُغمر السطح بالكامل في المحلول ثم يُسحب في ظروف مُحكمة. ومن خلال التحكم في سرعة السحب، وظروف التبخر (وخاصة الرطوبة ودرجة الحرارة)، وتقلب/لزوجة المذيب، يُمكن التحكم في سُمك الفيلم وتجانسه وبنيته النانوية. يوجد نظامان للتبخر: منطقة الشعيرات الدموية عند سرعات سحب منخفضة جدًا، ومنطقة التصريف عند سرعات تبخر أعلى. ^{[ 8 ]}

تستخدم عملية الترسيب الكيميائي للبخار عادةً مادةً أوليةً غازية، غالباً ما تكون هاليد أو هيدريد العنصر المراد ترسيبه. أما في حالة الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني ، فيُستخدم غاز عضوي فلزي . وتستخدم التقنيات التجارية عادةً ضغوطاً منخفضة جداً للغاز الأولي.

تستخدم عملية الترسيب الكيميائي للبخار المعزز بالبلازما بخارًا متأينًا، أو بلازما ، كمادة أولية. وعلى عكس مثال السخام المذكور أعلاه، تعتمد هذه الطريقة على الوسائل الكهرومغناطيسية (التيار الكهربائي، والإثارة بالموجات الدقيقة )، بدلاً من التفاعل الكيميائي، لإنتاج البلازما.

تستخدم تقنية الترسيب الطبقي الذري ، وتقنيتها الشقيقة الترسيب الطبقي الجزيئي ، مواد أولية غازية لترسيب طبقات رقيقة متجانسة ، طبقة تلو الأخرى. تُقسّم العملية إلى نصفَي تفاعل، يُنفّذان بالتتابع ويُكرّران لكل طبقة، لضمان تشبّع الطبقة بالكامل قبل البدء بالطبقة التالية. لذا، يُرسب أحد المتفاعلين أولًا، ثم يُرسب المتفاعل الثاني، وخلال هذه العملية يحدث تفاعل كيميائي على الركيزة، مُشكّلًا التركيب المطلوب. نتيجةً لهذه الخطوات المتدرجة، تكون العملية أبطأ من الترسيب الكيميائي للبخار؛ ومع ذلك، يُمكن إجراؤها في درجات حرارة منخفضة. عند تطبيقها على ركائز بوليمرية، يُمكن أن يتحوّل الترسيب الطبقي الذري إلى عملية تخليق بالتغلغل المتسلسل ، حيث تنتشر المتفاعلات داخل البوليمر وتتفاعل مع المجموعات الوظيفية على سلاسل البوليمر.

تستخدم عملية الترسيب الفيزيائي وسائل ميكانيكية أو كهروميكانيكية أو ديناميكية حرارية لإنتاج طبقة رقيقة من مادة صلبة. ومن الأمثلة الشائعة على ذلك تكوّن الصقيع . ولأن معظم المواد الهندسية تتماسك بفضل طاقات عالية نسبيًا، ولا تُستخدم التفاعلات الكيميائية لتخزين هذه الطاقات، فإن أنظمة الترسيب الفيزيائي التجارية تتطلب عادةً بيئة بخار منخفضة الضغط لتعمل بكفاءة؛ ويمكن تصنيف معظمها ضمن الترسيب الفيزيائي للبخار .

تُوضع المادة المراد ترسيبها في بيئة نشطة ذات طاقة عالية ، مما يسمح لجزيئات المادة بالهروب من سطحها. ويقابل هذا المصدر سطحٌ أكثر برودة يسحب الطاقة من هذه الجزيئات عند وصولها، مما يُتيح لها تكوين طبقة صلبة. ويُحفظ النظام بأكمله في حجرة ترسيب مفرغة من الهواء، للسماح للجزيئات بالتحرك بحرية قدر الإمكان. ولأن الجزيئات تميل إلى اتباع مسار مستقيم، فإن الأغشية المُرسبة بالوسائل الفيزيائية تكون عادةً موجهة ، وليست متطابقة .

تشمل أمثلة الترسيب المادي ما يلي:

جهاز تبخير حراري يستخدم سخانًا كهربائيًا مقاومًا لصهر المادة ورفع ضغط بخارها إلى نطاق مناسب. تتم هذه العملية في فراغ عالٍ، وذلك للسماح للبخار بالوصول إلى الركيزة دون تفاعله مع ذرات الطور الغازي الأخرى في الحجرة أو تشتته معها، وللحد من دخول الشوائب من الغاز المتبقي في حجرة الفراغ . لا يمكن ترسيب سوى المواد ذات ضغط بخار أعلى بكثير من ضغط عنصر التسخين دون تلوث الطبقة الرقيقة. يُعدّ الترسيب الجزيئي الشعاعي شكلًا متطورًا للغاية من أشكال التبخير الحراري.

يُطلق جهاز التبخير بشعاع الإلكترون شعاعًا عالي الطاقة من مدفع إلكتروني لغلي بقعة صغيرة من المادة؛ ونظرًا لعدم انتظام التسخين، يمكن ترسيب مواد ذات ضغط بخاري منخفض . عادةً ما يُثنى الشعاع بزاوية 270 درجة لضمان عدم تعرض فتيل المدفع مباشرةً لتدفق المادة المتبخرة. تتراوح معدلات الترسيب النموذجية للتبخير بشعاع الإلكترون بين 1 و10 نانومترات في الثانية.

في الترسيب الجزيئي الشعاعي ، تُوجَّه تيارات بطيئة من عنصر ما نحو الركيزة، بحيث تترسب المادة طبقة ذرية واحدة في كل مرة. عادةً ما تُرسَّب مركبات مثل زرنيخيد الغاليوم بتطبيق طبقة من عنصر واحد (مثل الغاليوم )، ثم طبقة من العنصر الآخر (مثل الزرنيخ )، بحيث تكون العملية كيميائية وفيزيائية في آنٍ واحد؛ ويُعرف هذا أيضًا باسم الترسيب الطبقي الذري . أما إذا كانت المواد الأولية المستخدمة عضوية، فتُسمى التقنية حينها الترسيب الطبقي الجزيئي . ويمكن توليد شعاع المادة إما بوسائل فيزيائية (أي بواسطة فرن ) أو عن طريق تفاعل كيميائي ( الترسيب الكيميائي الشعاعي ).

تعتمد عملية الترسيب بالرش على البلازما (عادةً غاز نبيل ، مثل الأرجون ) لإزالة المادة من "الهدف" على دفعات صغيرة من الذرات. يمكن الحفاظ على الهدف عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا، نظرًا لأن العملية لا تعتمد على التبخر، مما يجعلها من أكثر تقنيات الترسيب مرونة. وهي مفيدة بشكل خاص للمركبات أو المخاليط، حيث تميل المكونات المختلفة إلى التبخر بمعدلات متفاوتة. تجدر الإشارة إلى أن تغطية سطح الترسيب بالرش تكون متجانسة إلى حد كبير. كما تُستخدم هذه التقنية على نطاق واسع في الوسائط البصرية، حيث يتم تصنيع جميع أنواع أقراص CD وDVD وBD باستخدامها. تتميز هذه التقنية بالسرعة، كما أنها توفر تحكمًا دقيقًا في سمك الطبقة. حاليًا، يُستخدم غازا النيتروجين والأكسجين أيضًا في الترسيب بالرش.

تعمل أنظمة الترسيب بالليزر النبضي عن طريق عملية الاستئصال . تعمل نبضات ضوء الليزر المركزة على تبخير سطح المادة المستهدفة وتحويلها إلى بلازما؛ وعادة ما تعود هذه البلازما إلى غاز قبل أن تصل إلى الركيزة. ^{[ 10 ]}

تستخدم تقنية الترسيب الحراري بالليزر ضوءًا مركزًا من ليزر ذي موجة مستمرة لتبخير مصادر المواد حراريًا. ^{[ 11 ]} ومن خلال ضبط كثافة طاقة شعاع الليزر، يصبح تبخير أي عنصر صلب غير مشع ممكنًا. ^{[ 12 ]} ثم يُرسب البخار الذري الناتج على ركيزة، تُسخن هي الأخرى بواسطة شعاع ليزر. ^{[ 13 ] [ 14 ]} يتيح النطاق الواسع لدرجات حرارة الركيزة والترسيب إمكانية النمو الطبقي لمختلف العناصر التي تُعتبر صعبة النمو باستخدام تقنيات نمو الأغشية الرقيقة الأخرى. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

الترسيب بالقوس الكاثودي (الترسيب الفيزيائي للبخار بالقوس)، وهو نوع من أنواع الترسيب باستخدام حزمة أيونية ، حيث يُولّد قوس كهربائي يقذف الأيونات من المهبط. يتميز هذا القوس بكثافة طاقة عالية للغاية ، مما ينتج عنه مستوى عالٍ من التأين (30-100%)، أيونات متعددة الشحنات، وجزيئات متعادلة، وتجمعات ، وجزيئات كبيرة (قطرات). عند إدخال غاز تفاعلي أثناء عملية التبخير، يمكن أن يحدث تفكك وتأين وإثارة أثناء التفاعل مع تدفق الأيونات ، مما يؤدي إلى ترسب طبقة مركبة.

الترسيب الكهروهيدروديناميكي (الترسيب بالرش الكهربائي) عملية حديثة نسبياً لترسيب الأغشية الرقيقة. يُغذى السائل المراد ترسيبه، سواءً كان محلول جسيمات نانوية أو محلولاً عادياً، إلى فوهة شعرية صغيرة (عادةً ما تكون معدنية) موصولة بجهد عالٍ. أما الركيزة المراد ترسيب الغشاء عليها، فتُوصل بالأرض. بفعل المجال الكهربائي، يتخذ السائل الخارج من الفوهة شكلاً مخروطياً ( مخروط تايلور )، وينبعث من قمة المخروط تيار رقيق يتفتت إلى قطرات صغيرة جداً مشحونة بشحنة موجبة تحت تأثير حد رايلي للشحنة. تستمر القطرات في التصغير حتى تترسب في النهاية على الركيزة كطبقة رقيقة متجانسة.

نمو فرانك-فان دير ميروي ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} ("طبقة تلو الأخرى"). في هذا النمط من النمو، تكون تفاعلات المادة الممتزة مع السطح وتفاعلات المادة الممتزة مع بعضها البعض متوازنة. يتطلب هذا النوع من النمو تطابق الشبكة البلورية، ولذلك يُعتبر آلية نمو "مثالية".

نمو سترانسكي-كراستانوف ^{[ 20 ]} ("الجزر المشتركة" أو "الطبقة بالإضافة إلى الجزيرة"). في نمط النمو هذا، تكون تفاعلات المادة الممتزة مع السطح أقوى من تفاعلات المادة الممتزة مع بعضها البعض.

فولمر-ويبر ^{[ 21 ]} ("جزر معزولة"). في نمط النمو هذا، تكون تفاعلات المادة الممتزة مع المادة الممتزة أقوى من تفاعلات المادة الممتزة مع السطح، وبالتالي تتشكل "الجزر" على الفور.

توجد ثلاث مراحل متميزة لتطور الإجهاد أثناء ترسيب أغشية فولمر-ويبر. ^{[ 22 ]} تتكون المرحلة الأولى من تكوّن جزر ذرية منفردة. خلال هذه المرحلة، يكون الإجهاد الكلي المُلاحَظ منخفضًا جدًا. تبدأ المرحلة الثانية مع اندماج هذه الجزر المنفردة وبدء اصطدامها ببعضها البعض، مما يؤدي إلى زيادة في إجهاد الشد الكلي في الغشاء. ^{[ 23 ]} يمكن عزو هذه الزيادة في إجهاد الشد الكلي إلى تكوّن حدود الحبيبات عند اندماج الجزر، مما ينتج عنه قوى بين الذرات تؤثر على حدود الحبيبات المتكونة حديثًا. يعتمد مقدار إجهاد الشد المتولد على كثافة حدود الحبيبات المتكونة، بالإضافة إلى طاقات حدود الحبيبات الخاصة بها. ^{[ 24 ]} خلال هذه المرحلة، لا يكون سُمك الغشاء منتظمًا بسبب الطبيعة العشوائية لاندماج الجزر، ولكن يُقاس كمتوسط ​​السُمك. تبدأ المرحلة الثالثة والأخيرة من نمو غشاء فولمر-ويبر عندما لا يتغير شكل سطح الغشاء مع تغير سُمكه. خلال هذه المرحلة، يمكن أن يظل الإجهاد الكلي في الفيلم إجهاد شد، أو يصبح إجهاد ضغط.

في رسم بياني يوضح العلاقة بين الإجهاد والسماكة، يُمثل الإجهاد الانضغاطي الكلي بميل سالب، بينما يُمثل الإجهاد الشدّي الكلي بميل موجب. يعتمد الشكل العام لمنحنى العلاقة بين الإجهاد والسماكة على ظروف المعالجة المختلفة (مثل درجة الحرارة، ومعدل النمو، والمادة). يذكر كوخ ^{[ 25 ]} أن هناك ثلاثة أنماط مختلفة لنمو فولمر-ويبر. يتميز النمط الأول (المنطقة I) بانخفاض نمو الحبيبات في طبقات الفيلم اللاحقة، ويرتبط بانخفاض حركة الذرات. ويشير كوخ إلى إمكانية ملاحظة هذا النمط عند درجات حرارة منخفضة. عادةً ما يحتوي الفيلم النهائي في النمط الأول على حبيبات عمودية صغيرة. أما النمط الثاني لنمو فولمر-ويبر فيُصنف على أنه النمط T، حيث يزداد حجم الحبيبات على سطح طبقة الترسيب مع زيادة سماكة الفيلم، بينما لا يتغير حجم الحبيبات في الطبقات المترسبة أسفل السطح. ترتبط أفلام النمط T بارتفاع حركة الذرات، وارتفاع درجات حرارة الترسيب، وحبيبات نهائية على شكل حرف V. النمط النهائي لنمو فولمر-ويبر المقترح هو نمو المنطقة الثانية، حيث تكون حدود الحبيبات في الجزء الأكبر من الفيلم عند السطح متحركة، مما ينتج عنه حبيبات كبيرة ولكنها عمودية الشكل. يرتبط نمط النمو هذا بأعلى حركة ذرية وأعلى درجة حرارة للترسيب. هناك أيضًا إمكانية لتكوين بنية مختلطة من نوع المنطقة T/المنطقة الثانية، حيث تكون الحبيبات في الغالب عريضة وعمودية الشكل، ولكنها تشهد نموًا طفيفًا مع اقتراب سمكها من سطح الفيلم. على الرغم من أن كوخ يركز بشكل أساسي على درجة الحرارة لاقتراح نمط منطقة محتمل، إلا أن عوامل مثل معدل الترسيب يمكن أن تؤثر أيضًا على البنية المجهرية النهائية للفيلم. ^{[ 23 ]}

يركز جزء من عمليات وتطبيقات ترسيب الأغشية الرقيقة على ما يُعرف بالنمو المتناحي للمواد، وهو ترسيب أغشية رقيقة بلورية تنمو وفقًا للبنية البلورية للركيزة. يُشتق مصطلح "النمو المتناحي" من الكلمتين اليونانيتين "إبي" (ἐπί) بمعنى "فوق"، و"تاكسيس" (τάξις) بمعنى "بطريقة منظمة". ويمكن ترجمته إلى "الترتيب فوق".

يشير مصطلح الترسيب المتجانس إلى الحالة التي يتم فيها ترسيب طبقة رقيقة من نفس المادة على ركيزة بلورية. تُستخدم هذه التقنية، على سبيل المثال، لترسيب طبقة رقيقة أكثر نقاءً من الركيزة، ذات كثافة عيوب أقل، ولتصنيع طبقات ذات مستويات تطعيم مختلفة. أما الترسيب غير المتجانس فيشير إلى الحالة التي تكون فيها الطبقة الرقيقة المترسبة مختلفة عن الركيزة.

تشمل التقنيات المستخدمة في النمو المتناحي للأغشية الرقيقة الترسيب الجزيئي الشعاعي ، والترسيب الكيميائي للبخار ، والترسيب بالليزر النبضي . ^{[ 26 ]}

قد تتعرض الأغشية الرقيقة لأحمال ثنائية المحور نتيجة الإجهادات الناجمة عن سطح التماس بينها وبين الركيزة. وقد تتعرض الأغشية الرقيقة المترسبة فوق الركيزة لإجهادات ناتجة عن عدم تطابق الشبكات البلورية المتماسكة للغشاء والركيزة، وعن إعادة تشكيل الوصلة الثلاثية السطحية. ^{[ 27 ]} يُعد الإجهاد الحراري شائعًا في الأغشية الرقيقة التي تُنمى في درجات حرارة مرتفعة نظرًا لاختلاف معاملات التمدد الحراري مع الركيزة. ^{[ 28 ]} تساهم الاختلافات في طاقة السطح البيني ونمو الحبيبات وتجمعها في الإجهاد الذاتي في الأغشية الرقيقة. ويمكن أن تكون هذه الإجهادات الذاتية دالةً لسمك الغشاء. ^{[ 29 ] [ 30 ]} قد تكون هذه الإجهادات شدًا أو ضغطًا، ويمكن أن تُسبب تشققًا أو انبعاجًا أو انفصالًا على طول السطح. في الأغشية المترسبة فوق الركيزة، قد تحتوي الطبقات الذرية المترسبة مبدئيًا على مستويات شبكية متماسكة مع الركيزة. ومع ذلك، بعد تجاوز سمك حرج، تتشكل انخلاعات عدم التطابق مما يؤدي إلى تخفيف الإجهادات في الغشاء. ^{[ 28 ] [ 31 ]}

قد تتعرض الأفلام لإجهاد تحول تمددي${\displaystyle e_{T}}$نسبةً إلى الركيزة، يحدث تغير في حجم الغشاء الرقيق نتيجةً لتغير في حجمه. قد تنجم تغيرات الحجم التي تُسبب إجهادًا تمدديًا عن تغيرات في درجة الحرارة، أو عيوب، أو تحولات طورية. يُحدث تغير درجة الحرارة تغيرًا في الحجم إذا كان معامل التمدد الحراري للغشاء الرقيق مختلفًا عن معامل التمدد الحراري للركيزة. كما يُسبب ظهور أو زوال عيوب مثل الفراغات، والانخلاعات ، وحدود الحبيبات تغيرًا في الحجم من خلال زيادة الكثافة. وتُسبب التحولات الطورية وتغيرات التركيز تغيرات في الحجم عبر تشوهات الشبكة البلورية. ^{[ 32 ] [ 33 ]}

سلالة النمو

على عكس الإجهاد الحراري والإجهاد الناتج عن الترسيب الطبقي، واللذان ينشآن بفعل عوامل خارجية كدرجة الحرارة ومعاملات شبكة الركيزة، ينشأ إجهاد النمو من داخل الطبقة الرقيقة نفسها. ويؤدي تغير الكثافة الناتج عن تكوّن العيوب أو زوالها، أو تغيرات الطور، أو تغيرات التركيب بعد نمو الطبقة الرقيقة على الركيزة، إلى توليد إجهاد نمو. كما هو الحال في نمط سترانسكي-كراستانوف، حيث تتعرض طبقة الفيلم لإجهاد لتلائم الركيزة نتيجةً لزيادة التشبع الفائق وطاقة السطح البيني التي تنتقل من جزيرة إلى أخرى. ^{[ 34 ]} ويرتبط الإجهاد المرن اللازم لاستيعاب هذه التغيرات بالإجهاد التمددي. ${\displaystyle e_{T}}$بواسطة:

${\displaystyle \varepsilon =-e_{T}/3}$

ستخضع الطبقة الرقيقة التي تتعرض لإجهادات النمو لظروف إجهاد شد ثنائي المحور، مما يولد إجهادات شد في اتجاهين محوريين لمطابقة أبعاد الركيزة. ^{[ 32 ] [ 35 ]}

يمكن حساب الإجهادات في الأغشية المترسبة على ركائز مسطحة كالرقائق عن طريق قياس انحناء الرقاقة الناتج عن الإجهاد الذي تُسببه الأغشية. وباستخدام تجهيزات بصرية، مثل تلك المزودة بأشعة الليزر، ^{[ 43 ]} يُمكن توصيف الرقاقة بالكامل قبل الترسيب وبعده. تنعكس أشعة الليزر عن الرقاقة على شكل شبكة، وتُستخدم التشوهات في هذه الشبكة لحساب الانحناء وقياس الثوابت البصرية . كما يُمكن قياس الإجهاد في الأغشية الرقيقة باستخدام حيود الأشعة السينية ، أو مطيافية رامان ، أو عن طريق حفر جزء من الغشاء باستخدام شعاع أيوني مركز ومراقبة الاسترخاء عبر المجهر الإلكتروني الماسح . ^{[ 30 ]}

يمكن أن يؤثر الإجهاد واسترخاء الإجهادات في الأغشية الرقيقة على خصائصها، مثل نقل الكتلة في تطبيقات الإلكترونيات الدقيقة . لذا، تُتخذ احتياطات إما لتخفيف هذه الإجهادات أو توليدها؛ على سبيل المثال، يمكن ترسيب طبقة عازلة بين الركيزة والغشاء. ^{[ 30 ]} كما تُستخدم هندسة الإجهاد لإنتاج هياكل طورية ونطاقية متنوعة في الأغشية الرقيقة، كما هو الحال في البنية النطاقية لمادة زركونات تيتانات الرصاص الفيروكهربائية (PZT). ^{[ 57 ]}

• يتكون الطلاء البصري، كما هو مستخدم على سبيل المثال في المرآة العازلة، من عدة طبقات ذات معاملات انكسار مختلفة .
• المقاومة المغناطيسية العملاقة هي تأثير كمي كبير يُلاحظ في طبقات موصلة مغناطيسية حديدية وغير مغناطيسية متناوبة.

يُعدّ استخدام الأغشية الرقيقة في الطلاءات الزخرفية أقدم تطبيقاتها على الأرجح. ويشمل ذلك رقائق الذهب  الرقيقة التي يبلغ سمكها حوالي 100 نانومتر، والتي استُخدمت في الهند القديمة منذ أكثر من 5000 عام. ويمكن فهم ذلك أيضًا على أنه أي شكل من أشكال الرسم، على الرغم من أن هذا النوع من العمل يُعتبر عمومًا فنًا حرفيًا أكثر منه تخصصًا هندسيًا أو علميًا. واليوم، تُستخدم مواد الأغشية الرقيقة ذات السماكة المتغيرة ومعامل الانكسار العالي، مثل ثاني أكسيد التيتانيوم، في الطلاءات الزخرفية على الزجاج على سبيل المثال، مما يُضفي مظهرًا بألوان قوس قزح، كما هو الحال مع الزيت على الماء. إضافةً إلى ذلك، يمكن تحضير أسطح غير شفافة مطلية بالذهب إما عن طريق رش الذهب أو نتريد التيتانيوم .

تُستخدم هذه الطبقات في كلٍ من الأنظمة العاكسة والانكسارية . أصبحت المرايا العاكسة ذات المساحة الكبيرة متاحة خلال القرن التاسع عشر، وكانت تُصنع عن طريق ترسيب الفضة أو الألومنيوم المعدني على الزجاج. تُظهر العدسات الانكسارية للأجهزة البصرية، مثل الكاميرات والمجاهر، عادةً انحرافات ، أي سلوك انكساري غير مثالي. في حين كان من الضروري سابقًا محاذاة مجموعات كبيرة من العدسات على طول المسار البصري، يُمكن اليوم تصحيح هذه الانحرافات عن طريق طلاء العدسات البصرية بطبقات متعددة شفافة من ثاني أكسيد التيتانيوم أو نتريد السيليكون أو أكسيد السيليكون، وما إلى ذلك. ومن الأمثلة المعروفة على التقدم في الأنظمة البصرية بفضل تقنية الأغشية الرقيقة، العدسة التي لا يتجاوز عرضها بضعة ملليمترات في كاميرات الهواتف الذكية . ومن الأمثلة الأخرى، الطلاءات المضادة للانعكاس على النظارات أو الألواح الشمسية .

تُستخدم الأغشية الرقيقة غالبًا لحماية القطعة المراد تصنيعها من المؤثرات الخارجية. وتتمثل هذه الحماية في تقليل التلامس مع الوسط الخارجي للحد من انتشار الغازات من الوسط إلى القطعة أو العكس. فعلى سبيل المثال، تُغطى زجاجات عصير الليمون البلاستيكية عادةً بطبقات مضادة للانتشار لمنع تسرب _ثاني أكسيد الكربون ، الذي يتحلل إليه حمض الكربونيك الذي أُضيف إلى المشروب تحت ضغط عالٍ. ومن الأمثلة الأخرى أغشية نيتريد التيتانيوم الرقيقة في رقائق الإلكترونيات الدقيقة، والتي تفصل خطوط الألومنيوم الموصلة للكهرباء عن طبقة العزل SiO₂ لمنع تكوّن أكسيد _{الألومنيوم} Al₂O₃ _. كما تُستخدم الأغشية الرقيقة في كثير من الأحيان للحماية من التآكل بين الأجزاء المتحركة ميكانيكيًا. ومن الأمثلة على ذلك طبقات الكربون الشبيهة بالماس المستخدمة في محركات السيارات _، أو الأغشية الرقيقة المصنوعة من المواد النانوية المركبة .

وجدت الطبقات الرقيقة من المعادن الأساسية كالنحاس والألومنيوم والذهب والفضة وغيرها، بالإضافة إلى سبائكها، تطبيقات عديدة في الأجهزة الكهربائية. وبفضل موصليتها الكهربائية العالية ، فهي قادرة على نقل التيارات الكهربائية أو توفير الفولتية. تُستخدم الطبقات المعدنية الرقيقة في الأنظمة الكهربائية التقليدية، على سبيل المثال، كطبقات نحاسية على لوحات الدوائر المطبوعة ، وكطبقة أرضية خارجية في الكابلات المحورية ، وفي تطبيقات أخرى متنوعة كالمستشعرات وغيرها. ^{[ 60 ]} وقد برز استخدامها في الأجهزة السلبية المتكاملة والدوائر المتكاملة كمجال رئيسي للتطبيقات ، ^{[ 61 ]} حيث تُبنى الشبكة الكهربائية بين الأجهزة النشطة والسلبية، كالترانزستورات والمكثفات وغيرها، من طبقات رقيقة من الألومنيوم أو النحاس. تتراوح سماكة هذه الطبقات بين بضع مئات من  النانومترات وبضعة ميكرومترات، وغالبًا ما تُدمج في طبقات رقيقة من نتريد التيتانيوم بسمك بضعة نانومترات لمنع التفاعل الكيميائي مع العازل المحيط، مثل ثاني أكسيد السيليكون _. يوضح الشكل صورة مجهرية لتركيب معدني TiN/Al/TiN ذي بنية جانبية في شريحة إلكترونية دقيقة. ^{[ 59 ]}

يمكن أن تؤدي البنى غير المتجانسة من نتريد الغاليوم وأشباه الموصلات المماثلة إلى ارتباط الإلكترونات بطبقة دون النانومترية، مما يجعلها تتصرف فعلياً كغاز إلكتروني ثنائي الأبعاد . ويمكن للتأثيرات الكمومية في هذه الأغشية الرقيقة أن تعزز بشكل كبير حركة الإلكترونات مقارنةً بالبلورات الصلبة، والتي تُستخدم في الترانزستورات ذات الحركة الإلكترونية العالية .

تُستخدم الأغشية الرقيقة من المعادن النبيلة في الهياكل البلازمونية ، مثل مستشعرات رنين البلازمون السطحي (SPR). موجات البلازمون السطحي هي موجات سطحية في المجال البصري تنتشر بين أسطح التماس بين المعدن والعازل؛ في تكوين كريتشمان-رايثر لمستشعرات SPR، يُغطى موشور بغشاء معدني عن طريق التبخير. ونظرًا لضعف خصائص الالتصاق للأغشية المعدنية، تُستخدم أغشية الجرمانيوم أو التيتانيوم أو الكروم كطبقات وسيطة لتعزيز الالتصاق. ^{[ 62 ] [ 63 ] [ 64 ]} كما تُستخدم الأغشية الرقيقة المعدنية في تصميمات الموجهات البلازمونية . ^{[ 65 ] [ 66 ]}

يجري تطوير تقنيات الأغشية الرقيقة كوسيلة لخفض تكلفة الخلايا الشمسية بشكل كبير . ويعود ذلك إلى انخفاض تكلفة تصنيع هذه الخلايا بفضل انخفاض تكاليف المواد والطاقة والمناولة والتكاليف الرأسمالية. ويتجلى هذا بوضوح في استخدام عمليات الطباعة الإلكترونية ( اللفائف ). أما تقنيات الأغشية الرقيقة الأخرى، التي لا تزال في مراحل مبكرة من البحث أو ذات توافر تجاري محدود، فتُصنف عادةً ضمن الجيل الثالث من الخلايا الكهروضوئية الناشئة ، وتشمل الخلايا الشمسية العضوية ، والخلايا الحساسة للأصباغ ، والخلايا ^{الشمسية البوليمرية} ، بالإضافة إلى خلايا ^النقاط الكمومية ^، وخلايا ^{كبريتيد} النحاس ^والزنك والقصدير ^، وخلايا النانو البلورية ^، وخلايا ^{البيروفسكايت} .

تُستخدم تقنية الطباعة بالأغشية الرقيقة لتطبيق بوليمرات الليثيوم الصلبة على مجموعة متنوعة من الركائز لإنتاج بطاريات فريدة لتطبيقات متخصصة. يمكن ترسيب بطاريات الأغشية الرقيقة مباشرةً على الرقائق أو أغلفة الرقائق بأي شكل أو حجم. ويمكن تصنيع البطاريات المرنة عن طريق الطباعة على البلاستيك أو رقائق معدنية رقيقة أو الورق. ^{[ 70 ]}

لتحقيق تصغير حجم رنانات الصوت الحجمية ذات الأغشية الرقيقة TFBARs/FBARs والتحكم الأكثر دقة في تردد الرنين للبلورات الكهروإجهادية، يتم تطويرها للمذبذبات ومرشحات الاتصالات ومزدوجات الإرسال والاستقبال وتطبيقات أجهزة الاستشعار.