HIỆN TƯỢNG PHÚN XẠ VÀ CÔNG NGHỆ PHÚN XẠ

HIỆN TƯỢNG PHÚN XẠ VÀ CÔNG NGHỆ PHÚN XẠ

 

Trong vật lý, phún xạ là một hiện tượng trong đó các hạt siêu nhỏ của vật liệu rắn được đẩy ra khỏi bề mặt của nó do ảnh hưởng của quá trình bắn phá bởi các hạt năng lượng của plasma hoặc khí. Trong tự nhiên, phún xạ thường xảy ra bên ngoài không gian, và là nguyên nhân gây hao mòn bề mặt vật liệu trên tàu không gian, các thiên thể. Tuy nhiên, phún xạ hoàn toàn có thể được tạo ra và kiểm soát để bắn phá trên bề mặt các loại vật liệu đặc biệt nhằm tạo ra các lớp phủ ứng dụng rộng rãi trong khoa học và công nghiệp. Trong quá trình này, phún xạ được kiểm soát, tinh chỉnh chính xác các điều kiện nhằm tạo các lớp phủ màng mỏng ứng dụng quang học, thiết bị bán dẫn và các sản phẩm công nghệ nano.

Khi các ion năng lượng va chạm với các nguyên tử của vật liệu đích (thường gọi là bia – Target), sự trao đổi động lượng diễn ra giữa chúng tạo nên hiện tượng các tầng thác va chạm.

Hình: Mô hình va chạm của ion lên các lớp nguyên tử trên bề mặt bia

Một tầng thác va chạm (còn được gọi là thác dịch chuyển hoặc tăng vọt) là một tập hợp các năng lượng liền kề lân cận (cao hơn nhiều so với năng lượng nhiệt thông thường) va chạm của các nguyên tử gây ra bởi một hạt năng lượng trong chất rắn hoặc chất lỏng.

Các ion này, được gọi là "các ion sự cố", tạo ra các tầng thác va chạm trong mục tiêu. Các tầng thác va chạm như vậy có thể lan truyền đi theo nhiều con đường; một số dẫn truyền hướng về phía bề mặt của bia. Nếu tầng  thác va chạm tới bề mặt của bia và năng lượng còn lại của nó lớn hơn năng lượng liên kết bề mặt của bia, một nguyên tử sẽ bị đẩy ra. Quá trình này được gọi là "phún xạ". Nếu bia mỏng (trên quy mô nguyên tử), tầng thác va chạm có thể xuyên qua mặt sau của nó; các nguyên tử được đẩy ra theo kiểu này được cho là thoát khỏi năng lượng liên kết bề mặt "truyền qua".

 

Hình: Mô hình cơ chế phún xạ tạo màng mỏng

Số lượng nguyên tử trung bình được đẩy ra từ mục tiêu trên mỗi ion sự cố được gọi là "năng suất phún xạ". Năng suất phún xạ phụ thuộc vào một số điều: góc mà các ion va chạm với bề mặt vật liệu, năng lượng mà chúng tấn công, khối lượng của chúng, khối lượng của các nguyên tử mục tiêu và năng lượng liên kết bề mặt của bia. Các ion gây ra phún xạ đến từ nhiều nguồn khác nhau - chúng có thể đến từ plasma, nguồn ion được chế tạo đặc biệt, máy gia tốc hạt, không gian bên ngoài (ví dụ gió mặt trời) hoặc vật liệu phóng xạ

Hình: Máy mạ PVD tự động công nghệ Phún xạ phản ứng magnetron do công ty SONXI VACUUM chế tạo

Một cơ chế khác của phún xạ vật lý được gọi là "phún xạ nhiệt". Điều này có thể xảy ra khi chất rắn đủ đậm đặc và ion tới đủ nặng, sự va chạm xảy ra rất gần nhau. Trong trường hợp này, xấp xỉ va chạm nhị phân không còn hiệu lực và quá trình va chạm nên được hiểu là một quá trình nhiều hiệu ứng. Các va chạm dày đặc gây ra một đột biến nhiệt (còn gọi là tăng đột biến nhiệt), về cơ bản làm tan chảy một phần nhỏ của tinh thể. Nếu phần đó đủ gần với bề mặt của nó, một số lượng lớn các nguyên tử có thể bị đẩy ra, do chất lỏng chảy lên bề mặt và / hoặc microexplosions. Sự lan truyền nhiệt ảnh hưởng mạnh nhất đối với các ion nặng (ví dụ: Xe hoặc Au hoặc cụm ion) có năng lượng trong phạm vi keV - MeV bắn phá các kim loại dày đặc nhưng mềm có nhiệt độ nóng chảy thấp (Ag, Au, Pb, v.v.). Quá trình phún xạ nhiệt thường tăng phi tuyến với năng lượng và có thể đối với các cụm ion nhỏ dẫn đến hệ số tăng xấp xỉ 10000.

Hình: Mũi phay CNC mạ PVD bằng công nghệ phún xạ phản ứng magnetron.