आणविक परत निक्षेपण

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आणविक परत निक्षेपण (एमएलडी) एक वाष्प अवस्था की पतली फिल्म निक्षेपण तकनीक है जो क्रमबद्ध रूप से की गई स्व-सीमित सतह प्रतिक्रियाओं पर आधारित है।[1] सामान्यतः आणविक परत निक्षेपण तकनीक परमाणु परत निक्षेपण (एएलडी) की अच्छी तरह से स्थापित तकनीक के अनुरूप है, जबकि परमाणु परत निक्षेपण तकनीक विशेष रूप से अकार्बनिक लेपन तक ही सीमित है। आणविक परत निक्षेपण में पूर्ववर्ती रसायन विज्ञान के छोटे द्वि-क्रियात्मक कार्बनिक अणुओं का भी उपयोग किया जा सकता है। यह बहुलकीकरण जैसी प्रक्रिया में कार्बनिक परतों के विकास के साथ कार्बनिक या अकार्बनिक हाइब्रिड पदार्थ बनाने के लिए नियंत्रित रूप से दोनों प्रकार के निर्मित ब्लॉकों को एक साथ जोड़ने में सक्षम होता है।

आणविक परत निक्षेपण पतली परत के क्षेत्र में एक ज्ञात तकनीक है। इसके सापेक्ष हाइब्रिड पदार्थ होने के कारण इसके अकार्बनिक परमाणुओ की परमाणु परत निक्षेपण के रूप में खोज नहीं की गई है। सामान्यतः इसके आगामी वर्षों में व्यापक क्षेत्र के विकास की संभावना है।

इतिहास

आणविक परत निक्षेपण परमाणु परत निक्षेपण की एक सहयोगी तकनीक है। जबकि परमाणु परत निक्षेपण का इतिहास 1970 के दशक का है, जिसका श्रेय वैलेन्टिन बोरिसोविच एलेस्कोवस्की और तुओमो सनटोला के स्वतंत्र कार्य को जाता है।[2][3] कार्बनिक अणुओं के साथ पहला आणविक परत निक्षेपण प्रयोग 1991 तक प्रकाशित नहीं हुआ था, जब टेटसुज़ो योशिमुरा और उनके सहकर्मियों का एक लेख सामने आया था।[4] जिसमें अभिकारकों के रूप में एमाइन और एनहाइड्राइड का उपयोग करके पॉलीमाइड के संश्लेषण के विषय में बताया गया था।[5][6] 1990 के दशक में कार्बनिक यौगिकों पर कुछ कार्य करने के बाद परमाणु परत निक्षेपण और आणविक परत निक्षेपण दोनों तकनीकों के संयोजन की हाइब्रिड सामग्रियों से संबंधित पहला पेपर सामने आया था। तब से आणविक परत निक्षेपण पर प्रति वर्ष प्रस्तुत लेखों की संख्या में निरंतर वृद्धि हुई है और निक्षेपण परतों की एक अधिक विविध श्रृंखला देखी गई है, जिसमें पॉलियामाइड्स,[7][8][9] पॉलीइमाइन्स,[10] पॉल्यूरिया सम्मिलित हैं।[11] पॉलिथियोरिया[12] और कुछ कॉपोलिमर हाइब्रिड परतो के निक्षेपण में विशेष रुचि रखते हैं।[13]

अभिक्रिया क्रियाविधि

परमाणु परत निक्षेपण प्रक्रिया के समान आणविक परत निक्षेपण प्रक्रिया के समय अभिकारकों को अनुक्रमिक या चक्रीय प्रकार से स्पंदित किया जाता है और सभी गैस-ठोस प्रतिक्रियाएं प्रतिस्थापन पर स्व-सीमित होती हैं। इनमें से प्रत्येक चक्र को आणविक परत निक्षेपण चक्र कहा जाता है और परत वृद्धि को प्रति चक्र वृद्धि (जीपीसी) के रूप में मापा जाता है, जिसे सामान्यतः एनएम/चक्र या Å/चक्र में व्यक्त किया जाता है।[1] एक मॉडल दो पूर्ववर्ती प्रयोग के समय आणविक परत निक्षेपण चक्र निम्नानुसार आगे बढ़ता है:

सबसे पहले पूर्ववर्ती 1 को परमाणु भट्टी में स्पंदित किया जाता है, जहां यह प्रारूप सतह पर सतह की प्रजातियों के साथ प्रतिक्रिया और केमिसोर्ब (रसोवशोषित) करता है। एक बार जब सभी अधिशोषण वाली साइटें कवर हो जाती हैं और संतृप्ति तक पहुंच जाती है, तो कोई और अग्रदूत संलग्न नहीं होगा, और अतिरिक्त अग्रदूत अणुओं और उत्पन्न उप-उत्पादों को परमाणु भट्टी से वापस ले लिया जाता है, या तो अक्रिय गैस से शुद्ध करके या परमाणु भट्टी कक्ष को नीचे पंप करके। केवल तभी जब चैम्बर को अक्रिय गैस से ठीक से शुद्ध किया गया हो/आधार दबाव (~ 10−6 एमबार रेंज) तक पंप किया गया हो और पिछले चरण के सभी अवांछित अणुओं को हटा दिया गया हो, तो अग्रदूत 2 को पेश किया जा सकता है।[14] अन्यथा, प्रक्रिया सीवीडी-प्रकार की वृद्धि का जोखिम उठाती है, जहां दो पूर्ववर्ती नमूना सतह से जुड़ने से पहले गैसीय चरण में प्रतिक्रिया करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप विभिन्न विशेषताओं के साथ एक कोटिंग होगी।

इसके बाद, अग्रदूत 2 स्पंदित होता है, जो सतह पर टिके पिछले अग्रदूत 1 अणुओं के साथ प्रतिक्रिया करता है। यह सतह प्रतिक्रिया फिर से स्व-सीमित है और, परमाणु भट्टी के आधार दबाव को फिर से शुद्ध करने/पंप करने के बाद, सतह समूहों के साथ समाप्त होने वाली एक परत को पीछे छोड़ देती है जो अगले चक्र में अग्रदूत 1 के साथ फिर से प्रतिक्रिया कर सकती है। आदर्श स्थिति में, एमएलडी चक्र की पुनरावृत्ति एक समय में एक मोनोएटोमिक परत में एक कार्बनिक/अकार्बनिक फिल्म का निर्माण करेगी, जो सटीक मोटाई नियंत्रण और फिल्म शुद्धता के साथ अत्यधिक अनुरूप कोटिंग्स को सक्षम करेगी।[14]

यदि ALD और MLD को मिला दिया जाए, तो व्यापक श्रेणी में अधिक पूर्ववर्तियों का उपयोग किया जा सकता है, अकार्बनिक और कार्बनिक दोनों।।[3][5] इसके अतिरिक्त अन्य प्रतिक्रियाओं को भी एएलडी/एमएलडी चक्रों में सम्मिलित किया जा सकता है, जैसे प्लाज्मा या रेडिकल एक्सपोज़र। इस तरह, एएलडी और एमएलडी चक्रों की संख्या और चक्रों के भीतर निहित चरणों को समायोजित करके एक प्रयोग को अनुसंधान आवश्यकताओं के अनुसार स्वतंत्र रूप से अनुकूलित किया जा सकता है।[14]

प्रक्रिया रसायन विज्ञान और सतह प्रतिक्रियाएँ

एमएलडी में प्रीकर्सर रसायन विज्ञान एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। पूर्ववर्ती अणुओं के रासायनिक गुण जमा हाइब्रिड पदार्थ की संरचना, संरचना और स्थिरता को संचालित करते हैं। कम समय में संतृप्ति चरण तक पहुंचने और उचित निक्षेपण दर सुनिश्चित करने के लिए, अग्रदूतों को सतह पर केमिसोर्ब करना होगा, सतह सक्रिय समूहों के साथ तेजी से प्रतिक्रिया करनी होगी और एक दूसरे के साथ प्रतिक्रिया करनी होगी। वांछित एमएलडी प्रतिक्रियाओं का बड़ा नकारात्मक ∆G मान होना चाहिए।[15][16]

कार्बनिक यौगिकों को एमएलडी के अग्रदूत के रूप में नियोजित किया जाता है। उनके प्रभावी उपयोग के लिए, अग्रदूत के पास गैस चरण में विघटित हुए बिना प्रतिक्रिया क्षेत्र में ले जाने के लिए पर्याप्त वाष्प दबाव और थर्मल स्थिरता होनी चाहिए। अस्थिरता आणविक भार और अंतर-आणविक अंतःक्रियाओं से प्रभावित होती है। एमएलडी में चुनौतियों में से एक ऐसे कार्बनिक अग्रदूत को ढूंढना है जिसमें पर्याप्त वाष्प दबाव, प्रतिक्रियाशीलता और थर्मल स्थिरता हो। अधिकांश कार्बनिक अग्रदूतों में कम अस्थिरता होती है, और सब्सट्रेट तक वाष्प की पर्याप्त आपूर्ति सुनिश्चित करने के लिए हीटिंग आवश्यक है। कार्बनिक अग्रदूतों की रीढ़ लचीली हो सकती है यानी, स्निग्ध, या कठोर यानी, कार्यात्मक समूहों के साथ नियोजित सुगंधित। कार्बनिक अग्रदूत सामान्यतः -OH, -COOH, -NH2, -CONH2, -CHO, -COCl, -SH, -CNO, -CN, एल्कीन आदि कार्यात्मक समूहों के साथ होमो या हेटरोबिफंक्शनल अणु होते हैं। निरंतर फिल्म विकास के लिए अग्रदूतों की द्विकार्यात्मक प्रकृति आवश्यक है क्योंकि एक समूह से सतह के साथ प्रतिक्रिया करने की उम्मीद की जाती है और दूसरा सह-अभिकारक की अगली पल्स के साथ प्रतिक्रिया करने के लिए सुलभ होता है। संलग्न कार्यात्मक समूह पूर्ववर्ती की प्रतिक्रियाशीलता और बंधन मोड में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं और उन्हें सतह पर मौजूद कार्यात्मक समूहों के साथ प्रतिक्रिया करने में सक्षम होना चाहिए। एक लचीली रीढ़ की हड्डी पिछले समन्वय द्वारा एक सतत और घनी फिल्म के विकास में बाधा डाल सकती है, प्रतिक्रियाशील साइटों को अवरुद्ध कर सकती है और इस प्रकार फिल्म की वृद्धि दर कम हो सकती है। इस प्रकार, उपरोक्त सभी आवश्यकताओं को पूरा करने वाले एमएलडी अग्रदूत को ढूंढना सीधी प्रक्रिया नहीं है। [17]

सतह समूह प्रतिक्रिया मध्यवर्ती के रूप में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। सब्सट्रेट सामान्यतः हाइड्रॉक्सिलेटेड या हाइड्रोजन समाप्त होता है और हाइड्रॉक्सिल धातुओं के साथ संघनन प्रतिक्रियाओं के लिए प्रतिक्रियाशील लिंकर के रूप में कार्य करता है। अकार्बनिक अग्रदूत संबंधित लिंकिंग रसायन विज्ञान के माध्यम से सतह प्रतिक्रियाशील समूहों के साथ प्रतिक्रिया करता है जिससे नए ओ-मेटल बांड का निर्माण होता है। धातु अग्रदूत चरण सतह समाप्ति को बदल देता है, जिससे सतह कार्बनिक अग्रदूत के साथ प्रतिक्रिया करने के लिए तैयार नई प्रतिक्रियाशील साइटों के साथ निकल जाती है। कार्बनिक अग्रदूत परिणामी सतह पर धातु स्थलों के साथ सहसंयोजक रूप से जुड़कर प्रतिक्रिया करता है, धातु लिगेंड जारी करता है और अगली पल्स के लिए तैयार एक और प्रतिक्रियाशील आणविक परत छोड़ता है। प्रत्येक अधिशोषण चरण के बाद उपोत्पाद जारी होते हैं और प्रतिक्रियाओं का सारांश नीचे दिया गया है।[18]

प्रक्रिया संबंधी विचार

एमएलडी प्रक्रिया निष्पादित करते समय, एएलडी के एक प्रकार के रूप में, पर्याप्त शुद्धता और विकास दर के साथ वांछित परत प्राप्त करने के लिए कुछ पहलुओं को ध्यान में रखा जाना चाहिए:

संतृप्ति

प्रयोग शुरू करने से पहले, शोधकर्ता को यह अवश्य जानना चाहिए कि डिज़ाइन की गई प्रक्रिया से संतृप्त या असंतृप्त स्थितियाँ प्राप्त होंगी या नहीं।[19] यदि यह जानकारी अज्ञात है, तो सटीक परिणाम प्राप्त करने के लिए इसे जानना प्राथमिकता है। यदि लंबे समय तक पूर्ववर्ती स्पंदन समय की अनुमति नहीं है, तो नमूने की सतह प्रतिक्रियाशील साइटों के पास गैसीय अणुओं के साथ प्रतिक्रिया करने और एक मोनोलेयर बनाने के लिए पर्याप्त समय नहीं होगा, जो प्रति चक्र (जीपीसी) में कम वृद्धि में अनुवादित होगा। इस समस्या को हल करने के लिए, एक संतृप्ति प्रयोग किया जा सकता है, जहां फिल्म के विकास की निगरानी अलग-अलग पूर्ववर्ती स्पंदन समय पर की जाती है, जिसके जीपीसी को फिर संतृप्ति स्थितियों को खोजने के लिए स्पंदन समय के विरुद्ध प्लॉट किया जाएगा।[19]

इसके अतिरिक्त, बहुत कम शुद्धिकरण समय के परिणामस्वरूप परमाणु भट्टी कक्ष में पूर्ववर्ती अणु शेष रह जाएंगे, जो अगले चरण के दौरान पेश किए गए नए अग्रदूत अणुओं के प्रति गैसीय चरण में प्रतिक्रियाशील होंगे, इसके बजाय एक अवांछित सीवीडी-विकसित परत प्राप्त करेंगे।[19]

एमएलडी विंडो

फिल्म की वृद्धि सामान्यतः निक्षेपण के तापमान पर निर्भर करती है, जिसे एमएलडी विंडो कहा जाता है,[1]एक तापमान सीमा जिसमें, आदर्श रूप से, फिल्म की वृद्धि स्थिर रहेगी। एमएलडी विंडो के बाहर कार्य करते समय, कई समस्याएं हो सकती हैं:

  • कम तापमान पर कार्य करते समय: अपर्याप्त प्रतिक्रिया के कारण सीमित वृद्धि; या संक्षेपण, जो अपेक्षा से अधिक उच्च GPC जैसा दिखाई देगा।[19]* उच्च तापमान पर कार्य करते समय: पूर्ववर्ती अपघटन, जो गैर-संतृप्त अनियंत्रित वृद्धि उत्पन्न करता है; या विशोषण जो निक्षेपण दर को कम करेगा।[19]

इसके अतिरिक्त एमएलडी विंडो के भीतर कार्य करते समय भी, जीपीसी कभी-कभी तापमान के साथ भिन्न हो सकता है, अन्य तापमान-निर्भर कारकों, जैसे फिल्म प्रसार, प्रतिक्रियाशील साइटों की संख्या या प्रतिक्रिया तंत्र के प्रभाव के कारण।[1]

गैर-आदर्शताएं

गैर-मोनोलेयर विकास

एमएलडी प्रक्रिया को अंजाम देते समय, प्रति चक्र एक मोनोलेयर का आदर्श मामला सामान्यतः लागू नहीं होता है। वास्तविक दुनिया में, कई पैरामीटर फिल्म की वास्तविक विकास दर को प्रभावित करते हैं, जो बदले में उप-मोनोलेयर विकास (प्रति चक्र एक पूर्ण परत से कम का निक्षेपण), द्वीप विकास और द्वीपों के सह-अस्तित्व जैसी गैर-आदर्शताएं उत्पन्न करते हैं।[19]

सब्सट्रेट प्रभाव

एमएलडी प्रक्रिया के दौरान, फिल्म विकास सामान्यतः एक स्थिर मूल्य (जीपीसी) प्राप्त करेगा। हालाँकि, पहले चक्रों के दौरान, आने वाले पूर्ववर्ती अणु विकसित पदार्थ की सतह के साथ नहीं बल्कि नंगे सब्सट्रेट के साथ बातचीत करेंगे, और इस प्रकार विभिन्न प्रतिक्रिया दरों के साथ विभिन्न रासायनिक प्रतिक्रियाओं से गुजरेंगे। इसके परिणामस्वरूप, विकास दर सब्सट्रेट वृद्धि (फिल्म-फिल्म प्रतिक्रियाओं की तुलना में तेज़ सबस्टेट-फिल्म प्रतिक्रिया) का अनुभव कर सकती है और इसलिए पहले चक्र में उच्च जीपीसी; या सब्सट्रेट अवरोध (फिल्म-फिल्म प्रतिक्रियाओं की तुलना में धीमी सबस्टेट-फिल्म प्रतिक्रिया), शुरुआत में जीपीसी में कमी के साथ। किसी भी मामले में, कुछ मामलों में प्रक्रिया वृद्धि दर दोनों मामलों में बहुत समान हो सकती है।[20]

प्रत्याशित वृद्धि से कम

एमएलडी में, यह देखना अजीब नहीं है कि, अक्सर, प्रयोगों से प्रत्याशित विकास दर से कम परिणाम मिलते हैं। इसका कारण कई कारकों पर निर्भर करता है,[21] जैसे कि:

  • अणु का झुकाव: लंबी श्रृंखला वाले कार्बनिक अणुओं के सतह पर पूरी तरह से लंबवत नहीं रहने की संभावना होती है, जिससे सतह स्थलों की संख्या कम हो जाती है।
  • बाइडेंटेट लिगैंड्स: जब एक प्रतिक्रियाशील अणु में दो कार्यात्मक समूह होते हैं, तो यह सतह पर सीधे रहने के बजाय झुक सकता है और दो सतह साइटों के साथ प्रतिक्रिया कर सकता है। उदाहरण के लिए, एथिलीन ग्लाइकॉल और ग्लिसरॉल के साथ उगाए गए टाइटैनिकोन के लिए यह दिखाया गया है। क्योंकि ग्लिसरॉल में एथिलीन ग्लाइकॉल की तुलना में एक अतिरिक्त हाइड्रॉक्सिल समूह होता है और सतह के साथ टर्मिनल हाइड्रॉक्सिल समूहों की दोहरी प्रतिक्रिया के मामले में एक अतिरिक्त प्रतिक्रियाशील हाइड्रॉक्सिल समूह प्रदान करने में सक्षम होता है।[22]
  • स्टीरिक बाधा: कार्बनिक अग्रदूत अक्सर भारी होते हैं, और सतह से जुड़े होने पर कई सतह समूहों को कवर कर सकते हैं।
  • लंबे समय तक स्पंदन समय: कार्बनिक अग्रदूतों में बहुत कम वाष्प दबाव हो सकता है, और संतृप्ति प्राप्त करने के लिए बहुत लंबे समय तक स्पंदन समय आवश्यक हो सकता है। इसके अतिरिक्त बाद में कक्ष से सभी अप्रतिक्रिया न किए गए अणुओं को हटाने के लिए सामान्यतः लंबे समय तक शुद्धिकरण की आवश्यकता होती है।
  • कम तापमान: पूर्ववर्ती वाष्प दबाव को बढ़ाने के लिए, कोई इसका तापमान बढ़ाने के बारे में सोच सकता है। फिर भी, कार्बनिक अग्रदूत सामान्यतः थर्मल रूप से बहुत नाजुक होते हैं, और तापमान में वृद्धि अपघटन को प्रेरित कर सकती है।
  • गैस-चरण: कई कार्बनिक प्रतिक्रियाएं सामान्यतः तरल चरण में की जाती हैं, और इसलिए एसिड-बेस इंटरैक्शन या सॉल्वेशन प्रभावों पर निर्भर होती हैं। ये प्रभाव गैसीय चरण में मौजूद नहीं हैं और परिणामस्वरूप, कई प्रक्रियाएं कम प्रतिक्रिया दर उत्पन्न करेंगी या सीधे तौर पर संभव नहीं होंगी।[1]

कठोर रीढ़ वाले कार्बनिक पूर्ववर्तियों का उपयोग करके इस घटना से यथासंभव बचा जा सकता है[23] या दो से अधिक कार्यात्मक समूहों के साथ,[22]तीन चरणों वाले प्रतिक्रिया अनुक्रम का उपयोग करते हुए, Cite error: Invalid <ref> tag; invalid names, e.g. too many या उन अग्रदूतों का उपयोग करना जिनमें रिंग-ओपनिंग प्रतिक्रियाएं होती हैं। रेफरी>Keskiväli L, Putkonen M, Puhakka E, Kenttä E, Kint J, Ramachandran RK, et al. (July 2018). "रिंग-ओपनिंग प्रतिक्रियाओं का उपयोग करके आणविक परत जमाव: फिल्म विकास की आणविक मॉडलिंग और हाइड्रोजन पेरोक्साइड के प्रभाव". ACS Omega. 3 (7): 7141–7149. doi:10.1021/acsomega.8b01301. PMC 6644646. PMID 31458876.</ref>

पूर्ववर्तियों की भौतिक स्थिति

तरल अग्रदूत

उच्च अस्थिरता और संचालन में आसानी तरल अग्रदूतों को एएलडी/एमएलडी के लिए पसंदीदा विकल्प बनाती है। सामान्यतः तरल अग्रदूतों में कमरे के तापमान पर पर्याप्त उच्च वाष्प दबाव होता है और इसलिए सीमित हीटिंग की आवश्यकता होती है। वे केकिंग, कण आकार परिवर्तन, चैनलिंग जैसी ठोस पूर्ववर्तियों के साथ आम समस्याओं से ग्रस्त नहीं होते हैं और लगातार और स्थिर वाष्प वितरण प्रदान करते हैं। इसलिए, कम गलनांक वाले कुछ ठोस पूर्ववर्तियों का उपयोग सामान्यतः उनकी तरल अवस्था में किया जाता है।

एक वाहक गैस का उपयोग सामान्यतः पूर्ववर्ती वाष्प को उसके स्रोत से परमाणु भट्टी तक ले जाने के लिए किया जाता है। अग्रदूत वाष्पों को सोलनॉइड और सुई वाल्व की मदद से सीधे इस वाहक गैस में प्रवेश किया जा सकता है।[24] दूसरी ओर, वाहक गैस को पूर्ववर्ती वाले कंटेनर के मुख्य स्थान पर प्रवाहित किया जा सकता है या पूर्ववर्ती के माध्यम से बुलबुला किया जा सकता है। बाद के लिए, डिप-ट्यूब बब्बलर का सामान्यतः उपयोग किया जाता है। सेटअप में एक खोखली ट्यूब (इनलेट) होती है जो प्रीकर्सर से भरी एक सीलबंद शीशी के लगभग नीचे खुलती है और शीशी के शीर्ष पर एक आउटलेट होता है। नाइट्रोजन/आर्गन जैसी अक्रिय वाहक गैस को ट्यूब के माध्यम से तरल के माध्यम से बुलबुला किया जाता है और आउटलेट के माध्यम से परमाणु भट्टी को नीचे की ओर ले जाया जाता है। तरल पदार्थों की अपेक्षाकृत तेज़ वाष्पीकरण गतिकी के कारण, बाहर निकलने वाली वाहक गैस लगभग पूर्ववर्ती वाष्प से संतृप्त होती है। परमाणु भट्टी में वाष्प की आपूर्ति को वाहक गैस प्रवाह, अग्रदूत के तापमान को समायोजित करके नियंत्रित किया जा सकता है और यदि आवश्यक हो, तो लाइन के नीचे इसे और पतला किया जा सकता है। यह सुनिश्चित किया जाना चाहिए कि बब्बलर से डाउनस्ट्रीम कनेक्शन को पर्याप्त उच्च तापमान पर रखा जाए ताकि पूर्ववर्ती संघनन से बचा जा सके। सेटअप का उपयोग स्थानिक परमाणु भट्टीों में भी किया जा सकता है जो अग्रदूत वाष्प की अत्यधिक उच्च, स्थिर और निरंतर आपूर्ति की मांग करते हैं।

पारंपरिक परमाणु भट्टीों में, होल्ड कोशिकाओं का उपयोग अग्रदूत वाष्प के अस्थायी भंडार के रूप में भी किया जा सकता है।[25][26] ऐसे सेटअप में, सेल को शुरू में खाली कर दिया जाता है। फिर इसे एक पूर्ववर्ती स्रोत के लिए खोला जाता है और पूर्ववर्ती वाष्प से भरने की अनुमति दी जाती है। फिर सेल को पूर्ववर्ती स्रोत से काट दिया जाता है। परमाणु भट्टी के दबाव के आधार पर, सेल पर एक अक्रिय गैस से दबाव डाला जा सकता है। अंत में, सेल को परमाणु भट्टी में खोला जाता है और प्रीकर्सर वितरित किया जाता है। होल्ड (भंडारण) सेल को भरने और खाली करने के इस चक्र को ALD चक्र के साथ समन्वयित किया जा सकता है। यह सेटअप स्थानिक परमाणु भट्टीों के लिए उपयुक्त नहीं है जो वाष्प की निरंतर आपूर्ति की मांग करते हैं।

ठोस पूर्ववर्ती

ठोस पूर्वगामी तरल की तरह सामान्य नहीं हैं लेकिन फिर भी उपयोग किए जाते हैं। सेमीकंडक्टर उद्योग के लिए ALD में संभावित अनुप्रयोगों वाले ठोस अग्रदूत का एक बहुत ही सामान्य उदाहरण ट्राइमेथिलिंडियम (TMIn) है। एमएलडी में, कुछ ठोस सह-अभिकारक जैसे पी-अमीनोफेनॉल, हाइड्रोक्विनोन, पी-फेनिलेनेडियमिन एथिलीन ग्लाइकोल जैसे तरल अभिकारकों द्वारा सामना की जाने वाली दोहरी प्रतिक्रियाओं की समस्या को दूर कर सकते हैं। इसकी एक वजह उनकी खुशबूदार रीढ़ को माना जा सकता है। ऐसे पूर्ववर्तियों से प्राप्त विकास दर सामान्यतः लचीली रीढ़ वाले पूर्ववर्तियों की तुलना में अधिक होती है।

हालाँकि, अधिकांश ठोस पूर्ववर्तियों में अपेक्षाकृत कम वाष्प दबाव और धीमी वाष्पीकरण गतिकी होती है।

अस्थायी सेटअप के लिए, अग्रदूत को सामान्यतः एक गर्म नाव में भर दिया जाता है और ओवरहेड वाष्प को वाहक गैस द्वारा परमाणु भट्टी में ले जाया जाता है। हालाँकि, धीमी वाष्पीकरण गतिकी के कारण संतुलन वाष्प दबाव प्रदान करना कठिन हो जाता है। अग्रदूत वाष्प के साथ वाहक गैस की अधिकतम संतृप्ति सुनिश्चित करने के लिए, वाहक गैस और अग्रदूत के बीच संपर्क लंबा और पर्याप्त होना चाहिए। एक साधारण डिप-ट्यूब बब्बलर, जो सामान्यतः तरल पदार्थों के लिए उपयोग किया जाता है, का उपयोग इस उद्देश्य के लिए किया जा सकता है। लेकिन, इस तरह के सेटअप से वाष्प वितरण में स्थिरता से अग्रदूत के वाष्पीकरण/उदात्त्व ठंडा होने का खतरा होता है,[27][28] पूर्ववर्ती केकिंग, वाहक गैस चैनलिंग,[29] पूर्ववर्ती आकृति विज्ञान और कण आकार में परिवर्तन।[29]इसके अतिरिक्त एक ठोस अग्रदूत के माध्यम से वाहक गैस के उच्च प्रवाह को प्रवाहित करने से छोटे कण परमाणु भट्टी या डाउनस्ट्रीम फिल्टर में चले जाते हैं जिससे यह अवरुद्ध हो जाता है। इन समस्याओं से बचने के लिए, अग्रदूत को पहले एक गैर-वाष्पशील अक्रिय तरल में भंग किया जा सकता है या उसमें निलंबित किया जा सकता है और फिर समाधान/निलंबन को बब्बलर सेटअप में उपयोग किया जा सकता है।[30]

इसके अतिरिक्त लंबी अवधि और उच्च वाहक प्रवाह के लिए अग्रदूत वाष्प की स्थिर और लगातार डिलीवरी सुनिश्चित करने के लिए ठोस अग्रदूतों के लिए कुछ विशेष वाष्प वितरण प्रणालियाँ भी डिज़ाइन की गई हैं।[29][31]

गैसीय पूर्वगामी

ALD/MLD दोनों गैस चरण प्रक्रियाएं हैं। इसलिए, पूर्ववर्तियों को उनके गैसीय रूप में प्रतिक्रिया क्षेत्रों में पेश करने की आवश्यकता होती है। गैसीय भौतिक अवस्था में पहले से मौजूद एक अग्रदूत परमाणु भट्टी तक अपने परिवहन को बहुत सरल और परेशानी मुक्त बना देगा। उदाहरण के लिए, प्रीकर्सर को गर्म करने की कोई आवश्यकता नहीं होगी जिससे संघनन का खतरा कम हो जाएगा। हालाँकि, पूर्वगामी गैसीय अवस्था में शायद ही कभी उपलब्ध होते हैं। दूसरी ओर, कुछ ALD सह-अभिकारक गैसीय रूप में उपलब्ध हैं। उदाहरणों में सल्फाइड फिल्मों के लिए उपयोग किया जाने वाला H2S[32] नाइट्राइड फिल्मों के लिए उपयोग किया जाने वाला NH3 ऑक्साइड का उत्पादन करने के लिए O2 और O3 के प्लाज़्मा सम्मिलित हैं।[33][34][35] परमाणु भट्टी को इन सह-अभिकारकों की आपूर्ति को विनियमित करने का सबसे आम और सीधा तरीका स्रोत और परमाणु भट्टी के बीच जुड़े द्रव्यमान प्रवाह नियंत्रक का उपयोग करना है। उनके आंशिक दबाव को नियंत्रित करने के लिए उन्हें अक्रिय गैस से भी पतला किया जा सकता है।

फिल्म चरित्र-चित्रण

समय के साथ कई लक्षण वर्णन तकनीकें विकसित हुई हैं क्योंकि विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए एएलडी/एमएलडी फिल्में बनाने की मांग बढ़ गई है। इसमें प्रयोगशाला-आधारित लक्षण वर्णन और कुशल सिंक्रोट्रॉन-आधारित एक्स-रे तकनीक सम्मिलित हैं।

लैब-आधारित लक्षण वर्णन

चूँकि वे दोनों एक समान प्रोटोकॉल का पालन करते हैं, ALD पर लागू लगभग सभी लक्षण वर्णन सामान्यतः MLD पर भी लागू होते हैं। एमएलडी फिल्म गुणों जैसे मोटाई, सतह और इंटरफ़ेस खुरदरापन, संरचना और आकारिकी को चिह्नित करने के लिए कई उपकरण नियोजित किए गए हैं। विकसित एमएलडी फिल्म की मोटाई और खुरदरापन (सतह और इंटरफ़ेस) अत्यंत महत्वपूर्ण हैं और सामान्यतः एक्स-रे परावर्तन (एक्सआरआर) द्वारा पूर्व-स्थिति की विशेषता होती है।[36] इन-सीटू तकनीकें अपने पूर्व-सीटू समकक्षों की तुलना में आसान और अधिक कुशल लक्षण वर्णन प्रदान करती हैं, जिनमें से स्पेक्ट्रोस्कोपिक इलिप्सोमेट्री (एसई) [40] और क्वार्ट्ज क्रिस्टल माइक्रोबैलेंस (क्यूसीएम)[36] असाधारण मोटाई नियंत्रण के साथ कुछ एंगस्ट्रॉम से पतली फिल्मों को मापने के लिए बहुत लोकप्रिय हो गए हैं।[37][38]

एक्स - रे फ़ोटोइलैक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (एक्सपीएस) [44] और एक्स-रे डिफ्रेक्टोमेट्री (एक्सआरडी) [45] का उपयोग क्रमशः फिल्म संरचना और क्रिस्टलीयता में अंतर्दृष्टि प्राप्त करने के लिए किया जाता है, जबकि परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (एएफएम)[39] और स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (SEM)[40] का उपयोग सतह की खुरदरापन और आकारिकी का निरीक्षण करने के लिए अक्सर किया जा रहा है। चूंकि एमएलडी ज्यादातर हाइब्रिड सामग्रियों से संबंधित है, जिसमें कार्बनिक और अकार्बनिक दोनों घटक सम्मिलित हैं, फूरियर रूपांतरण अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी (एफटीआईआर)[41] एमएलडी चक्रों के दौरान जोड़े या हटाए गए नए कार्यात्मक समूह को समझने के लिए एक महत्वपूर्ण उपकरण है और यह एक शक्तिशाली उपकरण भी है। एमएलडी प्रक्रिया के प्रत्येक उपचक्र के दौरान अंतर्निहित रसायन शास्त्र या सतह प्रतिक्रियाओं को स्पष्ट करें।

सिंक्रोटॉन -आधारित लक्षण वर्णन

सिंक्रोट्रॉन एक्स-रे का एक बेहद शक्तिशाली स्रोत है जो ऊर्जा स्तर तक पहुंचता है जिसे प्रयोगशाला-आधारित वातावरण में हासिल नहीं किया जा सकता है। यह सिंक्रोट्रॉन विकिरण उत्पन्न करता है, विद्युत चुम्बकीय विकिरण जो आवेशित कणों के रेडियल त्वरण से गुजरने पर उत्सर्जित होता है, जिसके उच्च शक्ति स्तर प्रक्रियाओं की गहरी समझ प्रदान करते हैं और अत्याधुनिक अनुसंधान आउटपुट की ओर ले जाते हैं।[42] सिंक्रोट्रॉन-आधारित लक्षण वर्णन बुनियादी रसायन विज्ञान को समझने और एमएलडी प्रक्रियाओं और उनके संभावित अनुप्रयोगों के बारे में मौलिक ज्ञान विकसित करने के संभावित अवसर भी प्रदान करते हैं।[43][44] इन-सीटू एक्स-रे प्रतिदीप्ति (एक्सआरएफ)[45] और चराई घटना छोटे कोण एक्स-रे स्कैटरिंग (जीआईएसएएक्सएस)[46] के संयोजन को एएलडी प्रक्रियाओं के दौरान न्यूक्लिएशन और विकास को सीखने के लिए एक सफल पद्धति के रूप में प्रदर्शित किया गया है।[47][48] और, हालांकि एमएलडी प्रक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए इस संयोजन की अभी तक विस्तार से जांच नहीं की गई है, लेकिन इसमें एमएलडी या वाष्प चरण घुसपैठ (वीपीआई) द्वारा विकसित हाइब्रिड सामग्रियों की प्रारंभिक न्यूक्लिएशन और आंतरिक संरचना की समझ में सुधार करने की काफी संभावना है।[49]

संभावित अनुप्रयोग

आणविक पैमाने पर इंजीनियर हाइब्रिड सामग्रियों का मुख्य अनुप्रयोग इसके सहक्रियात्मक गुणों पर निर्भर करता है, जो उनके अकार्बनिक और कार्बनिक घटकों के व्यक्तिगत प्रदर्शन को पार करता है। एमएलडी-जमा पदार्थ के अनुप्रयोग के मुख्य क्षेत्र हैं।[50]

  • पैकेजिंग/एनकैप्सुलेशन: बेहतर यांत्रिक गुणों (लचीलापन, खिंचाव, कम भंगुरता) के साथ अल्ट्राथिन, पिनहोल-मुक्त और लचीली कोटिंग्स जमा करना। एक उदाहरण कार्बनिक प्रकाश उत्सर्जक डायोड (ओएलईडी) पर गैस-अवरोधक हैं।
  • इलेक्ट्रॉनिक्स: विशेष यांत्रिक और ढांकता हुआ गुणों के साथ सिलाई पदार्थ, जैसे उन्नत एकीकृत सर्किट जिनके लिए विशेष इंसुलेटर या उच्च-के गेट डाइलेक्ट्रिक्स के साथ लचीली पतली फिल्म ट्रांजिस्टर की आवश्यकता होती है। इसके अतिरिक्त कुछ थर्मोइलेक्ट्रिक उपकरणों के साथ गर्मी के रूप में बर्बाद हुई ऊर्जा को विद्युत शक्ति के रूप में पुनर्प्राप्त किया जाता है।
  • बायोमेडिकल अनुप्रयोग: कोशिका वृद्धि, बेहतर आसंजन या इसके विपरीत, जीवाणुरोधी गुणों वाली पदार्थ उत्पन्न करने के लिए। इनका उपयोग सेंसिंग, डायग्नोस्टिक्स या दवा वितरण जैसे अनुसंधान क्षेत्रों में किया जा सकता है।

अकार्बनिक और कार्बनिक नेटवर्क बनाने के लिए आवश्यक विभिन्न प्रारंभिक स्थितियों के कारण, आणविक पैमाने पर अकार्बनिक और कार्बनिक बिल्डिंग ब्लॉकों का संयोजन चुनौतीपूर्ण साबित हुआ है। वर्तमान मार्ग अक्सर समाधान रसायन विज्ञान पर आधारित होते हैं, उदा. सोल-जेल संश्लेषण को स्पिन-कोटिंग, डिपिंग या छिड़काव के साथ जोड़ा जाता है, जिसका एमएलडी एक विकल्प है।

ढांकता हुआ पदार्थ के लिए एमएलडी उपयोग।

लो-के

किसी माध्यम के ढांकता हुआ स्थिरांक (k) को माध्यम के साथ और उसके बिना संधारित्र की धारिता के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है।[51] आजकल मेटल इंटरकनेक्शन के प्रतिरोध और नैनोस्केल उपकरणों की ढांकता हुआ परत के कारण होने वाली देरी, क्रॉसस्टॉक और बिजली अपव्यय मुख्य कारक बन गए हैं जो डिवाइस के प्रदर्शन को सीमित करते हैं और, जैसे-जैसे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को और अधिक छोटा किया जाता है, इंटरकनेक्ट प्रतिरोध कैपेसिटेंस (आरसी) ) विलंब समग्र डिवाइस गति पर हावी हो सकता है। इसे हल करने के लिए, वर्तमान कार्य अकार्बनिक और कार्बनिक सामग्रियों के संयोजन से सामग्रियों के ढांकता हुआ स्थिरांक को कम करने पर केंद्रित है,[52] जिनकी कम क्षमता धातु लाइनों के बीच अंतर को कम करने की अनुमति देती है और इसके साथ, धातु की परतों की संख्या को कम करने की क्षमता होती है। एक उपकरण में. इस प्रकार की सामग्रियों में, कार्बनिक भाग कठोर और प्रतिरोधी होना चाहिए और, उस उद्देश्य के लिए, धातु ऑक्साइड और फ्लोराइड का सामान्यतः उपयोग किया जाता है। हालाँकि, चूंकि यह पदार्थ अधिक भंगुर होती है, इसलिए इसमें कार्बनिक पॉलिमर भी मिलाए जाते हैं, जिससे हाइब्रिड पदार्थ को कम ढांकता हुआ स्थिरांक, अच्छी अंतरालीय क्षमता, उच्च समतलता, कम अवशिष्ट तनाव, कम तापीय चालकता प्रदान की जाती है। वर्तमान शोध में, 3 से कम k मान वाले MLD द्वारा निम्न-k पदार्थ तैयार करने के लिए महान प्रयास किए जा रहे हैं।[53]

हाई-के

नवीन कार्बनिक पतली-फिल्म ट्रांजिस्टर को एक उच्च-प्रदर्शन ढांकता हुआ परत की आवश्यकता होती है, जो पतली होनी चाहिए और उच्च k-मान वाली होनी चाहिए। एमएलडी कार्बनिक और अकार्बनिक घटकों की मात्रा और अनुपात को बदलकर उच्च-के और ढांकता हुआ ताकत को संभव बनाता है। इसके अतिरिक्त एमएलडी का उपयोग लचीलेपन के मामले में बेहतर यांत्रिक गुण प्राप्त करने की अनुमति देता है।

विभिन्न हाइब्रिड डाइलेक्ट्रिक्स पहले ही विकसित किए जा चुके हैं: जिरकोनियम टर्ट-ब्यूटॉक्साइड (जेडटीबी) से जिंकोन हाइब्रिड और एथिलीन ग्लाइकॉल (ईजी) Al2O3 आधारित हाइब्रिड जैसे स्व-संयोजन एमएलडी-जमा ऑक्टेनिलट्राइक्लोरोसिलेन (OTS) परतें और Al2O3 लिंकर्स[54] इसके अतिरिक्त, TiCl4 और फ्यूमरिक एसिड से बने ढांकता हुआ[55] Ti-आधारित हाइब्रिड ने चार्ज मेमोरी कैपेसिटर में अपनी प्रयोज्यता साबित की है।[56]

झरझरा पदार्थ के लिए एमएलडी

एमएलडी में धातु-कार्बनिक फ्रेमवर्क (एमओएफ) और सहसंयोजक-कार्बनिक फ्रेमवर्क (सीओएफ) जैसी छिद्रपूर्ण हाइब्रिड कार्बनिक-अकार्बनिक और पूरी तरह कार्बनिक फिल्मों के निक्षेपण की उच्च क्षमता है। परिभाषित छिद्र संरचना और रासायनिक ट्यूनेबिलिटी के लिए धन्यवाद, इन नवीन सामग्रियों की पतली फिल्मों को अगली पीढ़ी के गैस सेंसर और लो-के डाइलेक्ट्रिक्स में सम्मिलित किए जाने की उम्मीद है।[57][58] परंपरागत रूप से, एमओएफ और सीओएफ की पतली फिल्में विलायक-आधारित मार्गों के माध्यम से उगाई जाती हैं, जो साफ-सुथरे वातावरण में हानिकारक होती हैं और पहले से मौजूद सर्किटरी के क्षरण का कारण बन सकती हैं।[57] क्लीनरूम-संगत तकनीक के रूप में, एमएलडी एक आकर्षक विकल्प प्रस्तुत करता है, जिसे अभी तक पूरी तरह से महसूस नहीं किया गया है। आज तक, एमओएफ और सीओएफ के प्रत्यक्ष एमएलडी पर कोई रिपोर्ट नहीं है। वैज्ञानिक वास्तविक एमएलडी प्रक्रिया की दिशा में सक्रिय रूप से अन्य विलायक-मुक्त सभी-गैस-चरण विधियों का विकास कर रहे हैं।

एमएलडी जैसी प्रक्रिया के शुरुआती उदाहरणों में से एक तथाकथित एमओएफ-सीवीडी है। इसे पहली बार ZIF-8 के लिए दो-चरणीय प्रक्रिया का उपयोग करके महसूस किया गया था: ZnO का ALD जिसके बाद 2-मिथाइलिमिडाज़ोल लिंकर वाष्प का संपर्क किया गया।[59] बाद में इसे कई अन्य एमओएफ तक विस्तारित किया गया।[60][61] एमओएफ-सीवीडी एक एकल-कक्ष निक्षेपण विधि है और इसमें सम्मिलित प्रतिक्रियाएं स्व-सीमित प्रकृति प्रदर्शित करती हैं, जो एक विशिष्ट एमएलडी प्रक्रिया के साथ मजबूत समानता रखती हैं।

धातु अग्रदूत और कार्बनिक लिंकर की अनुक्रमिक प्रतिक्रियाओं द्वारा एमओएफ का प्रत्यक्ष एमएलडी करने का प्रयास सामान्यतः एक घने और अनाकार फिल्म में परिणामित होता है। इनमें से कुछ सामग्रियां विशिष्ट गैस-चरण के बाद के उपचार के बाद एमओएफ अग्रदूत के रूप में कार्य कर सकती हैं। यह दो-चरणीय प्रक्रिया MOF-CVD का एक विकल्प प्रस्तुत करती है। इसे कुछ प्रोटोटाइप एमओएफ के लिए सफलतापूर्वक महसूस किया गया है: आईआरएमओएफ-8, ,[62] एमओएफ-5,[63] यूआईओ-66,[64] हालांकि एमओएफ क्रिस्टलीकरण के लिए उपचार के बाद का कदम आवश्यक है, इसके लिए अक्सर कठोर परिस्थितियों की आवश्यकता होती है ( उच्च तापमान, संक्षारक वाष्प) जो खुरदरी और गैर-समान फिल्मों का कारण बनते हैं। औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए शून्य से न्यूनतम उपचार के बाद का निक्षेपण अत्यधिक वांछनीय है।

प्रवाहकीय पदार्थ के लिए एमएलडी।

प्रवाहकीय और लचीली फिल्में कई उभरते अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण हैं, जैसे कि डिस्प्ले, पहनने योग्य उपकरण, फोटोवोल्टिक्स, व्यक्तिगत चिकित्सा उपकरण इत्यादि। उदाहरण के लिए, एक जिंकोन हाइब्रिड एक ZnO फिल्म से निकटता से संबंधित है और इसलिए, ZnO की चालकता को इसके साथ जोड़ सकता है कार्बनिक परत का लचीलापन। जिंकोन को डायथाइलजिंक (DEZ), हाइड्रोक्विनोन (HQ) और पानी से जमा करके (−Zn-O-फेनिलीन-O−)n के रूप में एक आणविक श्रृंखला उत्पन्न की जा सकती है, जो एक विद्युत चालक है।[65] शुद्ध ZnO फिल्म के माप ने ~ 14 S/m की चालकता दिखाई, जबकि MLD जिंकोन ने ~ 170 S/m दिखाया, जो परिमाण के एक से अधिक क्रम के हाइब्रिड मिश्र धातु में चालकता में काफी वृद्धि दर्शाता है।

ऊर्जा भंडारण के लिए एमएलडी

बैटरी इलेक्ट्रोड के लिए एमएलडी कोटिंग्स

बैटरी क्षेत्र में एमएलडी के मुख्य अनुप्रयोगों में से एक बैटरी इलेक्ट्रोड को हाइब्रिड (कार्बनिक-अकार्बनिक) कोटिंग के साथ कोट करना है। मुख्य कारण यह है कि, ये कोटिंग्स संभावित रूप से इलेक्ट्रोड को टूटने के मुख्य स्रोतों से बचा सकती हैं, जबकि टूटती नहीं हैं। ये कोटिंग्स विशुद्ध रूप से अकार्बनिक सामग्रियों की तुलना में अधिक लचीली होती हैं। इसलिए, चार्ज और डिस्चार्ज होने पर बैटरी इलेक्ट्रोड में होने वाले वॉल्यूम विस्तार से निपटने में सक्षम होना।

  • एनोड पर एमएलडी कोटिंग: इसकी उच्च सैद्धांतिक क्षमता (4200mAh/g) के कारण बैटरी में सिलिकॉन एनोड का कार्यान्वयन बेहद दिलचस्प है। फिर भी, लिथियम मिश्रधातु और डीलोयिंग पर भारी मात्रा में परिवर्तन एक बड़ा मुद्दा है क्योंकि इससे सिलिकॉन एनोड का क्षरण होता है। एमएलडी पतली फिल्म कोटिंग्स, जैसे एलुकोन्स (एएल-जीएल, एएल-एचक्यू) का उपयोग उच्च लचीलेपन और कठोरता के कारण सिलिकॉन पर बफरिंग मैट्रिक्स के रूप में किया जा सकता है। इसलिए, सी एनोड के लिए वॉल्यूम विस्तार से राहत मिलती है, और साइक्लिंग प्रदर्शन में महत्वपूर्ण सुधार होता है।[66][67]
  • कैथोड पर एमएलडी कोटिंग्स: ली सल्फर बैटरियां अपनी उच्च ऊर्जा घनत्व के कारण बहुत रुचि रखती हैं, जो इसे इलेक्ट्रिक वाहनों (ईवी) और हाइब्रिड इलेक्ट्रिक वाहनों (एचईवी) जैसे अनुप्रयोगों के लिए आशाजनक बनाती है। हालाँकि, कैथोड से पॉलीसल्फाइड के विघटन के कारण उनका खराब चक्र जीवन, बैटरी के प्रदर्शन के लिए हानिकारक है। यह तथ्य, बड़ी मात्रा में विस्तार के साथ मिलकर कुछ मुख्य कारक हैं जो खराब विद्युत रासायनिक प्रदर्शन का कारण बनते हैं। इन मुद्दों का सामना करने के लिए सल्फर कैथोड पर एलुकोन कोटिंग्स (एएल-ईजी) का सफलतापूर्वक उपयोग किया गया है।[43][68]


थर्मोइलेक्ट्रिक पदार्थ के लिए एमएलडी

उच्च परिशुद्धता और नियंत्रण के साथ एक पतली फिल्म निक्षेपण तकनीक के रूप में परमाणु/आणविक परत निक्षेपण (एएलडी/एमएलडी) बहुत अच्छी हाइब्रिड अकार्बनिक-कार्बनिक सुपरलैटिस संरचनाओं का उत्पादन करने का अवसर पैदा करता है। थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रियों की अकार्बनिक जाली के अंदर कार्बनिक अवरोधक परतें जोड़ने से थर्मोइलेक्ट्रिक दक्षता में सुधार होता है। उपर्युक्त घटना एक शमन प्रभाव का परिणाम है जो कार्बनिक बाधा परतों का फोनन पर होता है। नतीजतन, इलेक्ट्रॉन जो मुख्य रूप से जाली के माध्यम से विद्युत परिवहन के लिए जिम्मेदार होते हैं, कार्बनिक परतों के माध्यम से अधिकतर बरकरार रह सकते हैं, जबकि थर्मल परिवहन के लिए जिम्मेदार फोनन कुछ हद तक दबा दिए जाएंगे। नतीजतन, परिणामी फिल्मों में बेहतर थर्मोइलेक्ट्रिक दक्षता होगी।

व्यावहारिक दृष्टिकोण

ऐसा माना जाता है कि थर्मोइलेक्ट्रिक दक्षता बढ़ाने के लिए अन्य तरीकों के साथ-साथ अवरोधक परतों के अनुप्रयोग से थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल का उत्पादन करने में मदद मिल सकती है जो गैर विषैले, लचीले, सस्ते और स्थिर हैं। ऐसा ही एक मामला पृथ्वी-प्रचुर तत्वों के थर्मोइलेक्ट्रिक ऑक्साइड का है। अन्य थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रियों की तुलना में इन ऑक्साइडों में उनकी उच्च तापीय चालकता के कारण कम थर्मोइलेक्ट्रिकिटी होती है। इसलिए, ALD/MLD के माध्यम से अवरोधक परतें जोड़ना, ऑक्साइड की इस नकारात्मक विशेषता को दूर करने का एक अच्छा तरीका है।

बायोमेडिकल अनुप्रयोगों के लिए एमएलडी

बायोएक्टिव और बायोकम्पैटिबल सतहें

एमएलडी को लक्षित कोशिका और ऊतक प्रतिक्रियाओं के लिए बायोएक्टिव और बायोकंपैटिबल सतहों के डिजाइन पर भी लागू किया जा सकता है। बायोएक्टिव सामग्रियों में पुनर्योजी चिकित्सा, ऊतक इंजीनियरिंग (ऊतक मचान), बायोसेंसर आदि के लिए पदार्थ सम्मिलित होती है। महत्वपूर्ण कारक जो कोशिका-सतह संपर्क को प्रभावित कर सकते हैं, साथ ही सिस्टम की प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया सतह रसायन शास्त्र (उदाहरण के लिए कार्यात्मक समूह, सतह चार्ज और) हैं वेटेबिलिटी) और सतह स्थलाकृति।[69] कोशिका के जुड़ाव और प्रसार और परिणामी सतहों की जैव सक्रियता को नियंत्रित करने के लिए इन गुणों को समझना महत्वपूर्ण है। इसके अतिरिक्त बायोएक्टिव सतहों के निर्माण के दौरान कार्बनिक बिल्डिंग ब्लॉक्स और एक प्रकार के बायोमोलेक्यूल्स (जैसे प्रोटीन, पेप्टाइड्स या पॉलीसेकेराइड) का चुनाव सतह की सेलुलर प्रतिक्रिया के लिए एक महत्वपूर्ण कारक है। एमएलडी ऐसे कार्बनिक अणुओं को टाइटेनियम जैसे अकार्बनिक जैव-संगत तत्वों के साथ जोड़कर जैव सक्रिय, सटीक संरचनाओं के निर्माण की अनुमति देता है। बायोमेडिकल अनुप्रयोगों के लिए एमएलडी के उपयोग का व्यापक रूप से अध्ययन नहीं किया गया है और यह अनुसंधान का एक आशाजनक क्षेत्र है। यह विधि सतह संशोधन को सक्षम बनाती है और इस प्रकार, सतह को क्रियाशील बना सकती है।

2017 में प्रकाशित एक हालिया अध्ययन में चूहे के कंजंक्टिवल गॉब्लेट सेल प्रसार को बढ़ाने के लिए कार्बनिक लिंकर्स के रूप में ग्लाइसिन, एल-एसपारटिक एसिड और एल-आर्जिनिन जैसे अमीनो एसिड के साथ टाइटेनियम समूहों को मिलाकर बायोएक्टिव मचान बनाने के लिए एमएलडी का उपयोग किया गया।[70] कार्बनिक-अकार्बनिक हाइब्रिड सामग्रियों के इस नवीन समूह को टाइटैमिनेट्स कहा जाता था। इसके अतिरिक्त बायोएक्टिव हाइब्रिड पदार्थ जिसमें टाइटेनियम और प्राथमिक न्यूक्लियोबेस जैसे थाइमिन, यूरैसिल और एडेनिन सम्मिलित हैं, ऊतक इंजीनियरिंग के क्षेत्र में उच्च (>85%) सेल व्यवहार्यता और संभावित अनुप्रयोग दिखाते हैं।[71][72]

रोगाणुरोधी सतहें

बैक्टीरिया, वायरस, परजीवी या कवक जैसे रोगजनक सूक्ष्मजीवों के कारण होने वाला अस्पताल-जनित संक्रमण आधुनिक स्वास्थ्य देखभाल में एक बड़ी समस्या है।[73] बड़ी संख्या में इन रोगाणुओं ने लोकप्रिय रोगाणुरोधी एजेंटों (जैसे एंटीबायोटिक्स और एंटीवायरल) को उनके खिलाफ कार्य करने से रोकने की क्षमता विकसित की। रोगाणुरोधी प्रतिरोध की बढ़ती समस्या पर काबू पाने के लिए वैकल्पिक और प्रभावी रोगाणुरोधी प्रौद्योगिकियों का विकास करना आवश्यक हो गया है जिससे रोगज़नक़ प्रतिरोध विकसित नहीं कर पाएंगे।

एक संभावित तरीका यह है कि चिकित्सा उपकरणों की सतह को रोगाणुरोधी एजेंटों से ढक दिया जाए। प्रकाश संवेदनशील कार्बनिक अणु. विधि में रोगाणुरोधी फोटोडायनामिक निष्क्रियता कहा जाता है[74] (एपीडीआई), प्रकाश संवेदनशील कार्बनिक अणु अत्यधिक प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों को बनाने के लिए प्रकाश ऊर्जा का उपयोग करते हैं जो जैव अणुओं (जैसे प्रोटीन, लिपिड और न्यूक्लिक एसिड) को ऑक्सीकरण करते हैं जिससे रोगज़नक़ की मृत्यु हो जाती है।[75][76] इसके अतिरिक्त एपीडीआई स्थानीय रूप से संक्रमित क्षेत्र का इलाज कर सकता है, जो दंत प्रत्यारोपण जैसे छोटे चिकित्सा उपकरणों के लिए एक फायदा है। एमएलडी नियंत्रित मोटाई और सटीकता के साथ प्रकाश-सक्रिय रोगाणुरोधी कोटिंग बनाने के लिए बायोकंपैटिबल धातु समूहों (यानी जिरकोनियम या टाइटेनियम) के साथ सुगंधित एसिड जैसे प्रकाश संवेदनशील कार्बनिक अणुओं को संयोजित करने की एक उपयुक्त तकनीक है। हाल के अध्ययनों से पता चलता है कि यूवी-ए विकिरण की उपस्थिति में एंटरोकोकस फ़ेकेलिस के खिलाफ 2,6-नेफ़थैलेनेडाइकारबॉक्सिलिक एसिड और जेडआर-ओ क्लस्टर पर आधारित एमएलडी-निर्मित सतहों का सफलतापूर्वक उपयोग किया गया था।[77]

लाभ और सीमाएँ

लाभ

आणविक परत निक्षेपण का मुख्य लाभ इसके धीमे, चक्रीय दृष्टिकोण से संबंधित है। जबकि अन्य तकनीकों से कम समय में मोटी फिल्में मिल सकती हैं, आणविक परत का निक्षेपण एंगस्ट्रॉम स्तर की सटीकता पर मोटाई नियंत्रण के लिए जाना जाता है। इसके अतिरिक्त इसका चक्रीय दृष्टिकोण उत्कृष्ट अनुरूपता वाली फिल्में उत्पन्न करता है, जो इसे जटिल आकार वाली सतहों की कोटिंग के लिए उपयुक्त बनाता है। एमएलडी के साथ विभिन्न सामग्रियों से युक्त बहुपरतों का विकास भी संभव है, और कार्बनिक/अकार्बनिक हाइब्रिड फिल्मों के अनुपात को आसानी से नियंत्रित किया जा सकता है और अनुसंधान आवश्यकताओं के अनुरूप बनाया जा सकता है।

सीमाएँ

पिछले मामले की तरह, आणविक परत निक्षेपण का मुख्य नुकसान भी इसके धीमे, चक्रीय दृष्टिकोण से संबंधित है। चूँकि प्रत्येक चक्र के दौरान दोनों पूर्ववर्तियों को क्रमिक रूप से स्पंदित किया जाता है, और संतृप्ति को हर बार प्राप्त करने की आवश्यकता होती है, पर्याप्त मोटी फिल्म प्राप्त करने के लिए आवश्यक समय आसानी से घंटों के क्रम में हो सकता है, यदि दिन नहीं। इसके अतिरिक्त वांछित फिल्मों को जमा करने से पहले सफल परिणाम प्राप्त करने के लिए सभी मापदंडों का परीक्षण और अनुकूलन करना हमेशा आवश्यक होता है।

इसके अतिरिक्त एमएलडी के माध्यम से जमा की गई हाइब्रिड फिल्मों से संबंधित एक और मुद्दा उनकी स्थिरता है। हाइब्रिड कार्बनिक/अकार्बनिक फिल्में एच में ख़राब या सिकुड़ सकती हैं2O. हालाँकि, इसका उपयोग फिल्मों के रासायनिक परिवर्तन को सुविधाजनक बनाने के लिए किया जा सकता है। एमएलडी सतह रसायन विज्ञान को संशोधित करने से हाइब्रिड फिल्मों की स्थिरता और यांत्रिक शक्ति को बढ़ाने के लिए एक समाधान प्रदान किया जा सकता है।

लागत के संदर्भ में, नियमित आणविक परत निक्षेपण उपकरण की लागत $200,000 और $800,000 के बीच हो सकती है। इसके अतिरिक्त उपयोग किए गए पूर्ववर्तियों की लागत को भी ध्यान में रखा जाना चाहिए।[78]

परमाणु परत निक्षेपण मामले के समान, आणविक परत निक्षेपण के लिए उपयुक्त होने के लिए पूर्ववर्तियों के लिए कुछ सख्त रासायनिक सीमाएं हैं।

एमएलडी अग्रदूतों के पास होना चाहिए[79]

  • पर्याप्त अस्थिरता
  • आक्रामक और पूर्ण प्रतिक्रियाएँ
  • तापीय स्थिरता
  • फिल्म या सब्सट्रेट पदार्थ पर कोई नक्काशी नहीं
  • पर्याप्त शुद्धता

इसके अतिरिक्त निम्नलिखित विशेषताओं वाले पूर्ववर्तियों को खोजने की सलाह दी जाती है:

  • गैसें या अत्यधिक अस्थिर तरल पदार्थ
  • उच्च जीपीसी
  • अप्रतिक्रियाशील, अस्थिर उपोत्पाद
  • सस्ता
  • संश्लेषण और संभालना आसान
  • गैर विषैला
  • पर्यावरण के अनुकूल

संदर्भ

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बाहरी संबंध

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