Películas Ultra delgadas

Son estructuras solidas de dos dimensiones tan delgadas que se puede despreciar muchos efectos físicos en su grosor. La mayoría de las películas delgadas interactuaran con ondas, por lo cual su grosor debe ser del orden de la longitud de onda de la perturbación con la que interacciona.

Las películas delgadas son importantes porque permiten ahorrar energía, son muy compactas, ligeras y debido a que se desprecia una dimensión son más fáciles de caracterizar físicamente.

Ejemplos de películas delgadas son los microcircuitos en las computadoras, las películas anti-reflejantes en anteojos y parabrisas, las burbujas de jabón.

Las películas delgadas se utilizaron inicialmente con fines decorativos en el siglo XVII.

Hoy en día las películas delgadas se utilizan no solo con fines decorativos, ni de protección, ellas son ampliamente usadas en circuitos electrónicos, en dispositivos opto-electrónicos, fotovoltaicos, recubrimientos ópticos de variadas áreas, en micro y nano electrónica donde como se observa el espesor va desde 0.1 micra-300 micras y de 1-100 nm en escala nanométrica.

Las películas delgadas pueden fabricarse por diferentes métodos de depósito dependiendo del material a depositar, existen algunos muy específicos como capas magnéticas, óxidos dieléctricos y ferromagnéticos, para circuitos semiconductores, polímeros, metales, óxidos metálicos, materiales orgánicos, nanotubos de carbono, complejos organometálicos, entre otros.

1. Métodos de Depósito

Los métodos de depósito por lo general se dividen en físicos y químicos mencionáremos los más comúnmente utilizados, y algunos otros específicos.

1.1. Métodos físicos:

a) Evaporación Térmica/ Rayo Molecular Epitaxial. El rayo molecular epitaxial (MBE) se ha desarrollado a partir de técnicas simples de evaporación térmica por aplicación de técnicas de ultra-alto vacío (UHV). Este método permite un crecimiento controlado capa por capa y debido a las condiciones de ultra alto vacío se obtienen películas muy limpias, es ideal para procesos de crecimiento. Sin embargo, el crecimiento capa por capa es lento y las técnicas de UHV son costosas.

b) Depósito por láser pulsado (PLD).Es un método de preparación de película con crecimiento de películas delgadas a partir de superconductores como el YBaCuO (óxido de itrio, bario y cubre) se ha

demostrado que este método es satisfactorio sobre todo para depósitos de óxidos y otros materiales multicomponentes. Uno de los inconvenientes del método es que pequeñas gotitas pueden depositarse en los extremos de las películas, además de la restricción a sustratos pequeños.

c) Depósito por rocío o chisporroteo (Sputter)El proceso más simple consiste en una cámara de vacío, donde el material que será depositado se encuentra en el cátodo (potencial negativo) y el sustrato para la película en el ánodo. Una diferencia de potencial de cientos de volts entre las dos placas conduce a la ignición de una descarga de plasma para presiones de 10-1 – 10-3 mbar, y las partículas aceleradas se dirigen hacia su objetivo depositándose. Las ventajas son el alto rendimiento, sustratos grandes, buena adhesión al sustrato, control de composición autoajustable y requerimientos de vacío menos riguroso que para evaporación térmica. Los sistemas son muy flexibles y se pueden ajustar a varios requerimientos específicos.

Métodos Químicos

1. Depósito químico de vapor (CVD). En este tipo de depósito el crecimiento de la película ocurre a través de una reacción química de los componentes químicos, es decir, los precursores, que serán transportados a la vecindad del sustrato vía fase vapor. Las reacciones químicas que forman la película generalmente utilizan energía térmica a partir del sustrato calentado, pero también pueden inducirse por microondas o luz. El reactor debe tener un flujo de gas controlado y los precursores a reaccionar deben estar a baja presión (10-1 a 10 mbar) para evitar colisiones entre moléculas de gas. Este método permite un crecimiento capa por capa a escala atómica permitiendo obtener películas ultra delgadas.

2. Depósito químico a partir de una disolución (CSD). Este método comprende un rango de técnicas de depósito, así como de rutas químicas. En general, el proceso comienza con la preparación de la disolución con la que se realizará el recubrimiento a partir de los precursores que compondrán la película, y además de mezclar la disolución, la preparación debe incluir la adición de estabilizantes, un proceso de hidrólisis parcial, reflujo, etc. La disolución para recubrir se deposita sobre un sustrato por:

spin-coating (recubrimiento giratorio), donde se utiliza una foto resistencia giratoria; es conveniente para placas semiconductoras.

dip-coating (recubrimiento por inmersión), el sustrato es inmerso en el material a depositar, se extrae, se drena y se seca. Este método es muy usado en la industria óptica para grandes sustratos no planos.

spray-coating (recubrimiento por rocío), el cual se basa en la formación de una nube a partir de la disolución y el depósito por gravitación o por fuerza electrostática.

La película húmeda debe secarse y pasar por un proceso de hidrólisis y reacciones de condensación dependiendo de la ruta química. La película depositada posiblemente representa una red química o física y bajo tratamiento térmico, por ejemplo, se obtiene una película que cristaliza homogénea o heterogéneamente. El espesor deseado se obtiene por múltiples recubrimientos. Dependiendo del tipo y reactividad de los precursores, la química muestra un amplio espectro de tipos de reacciones. Por un lado, hay reacciones sol-gel que involucran hidrólisis y condensación. Un ejemplo es la formación de SiO2 a partir de alcóxido de Si.

Las ventajas de estos métodos CSD son el excelente control de composición de la película a través de la estequiometria de las disoluciones para los recubrimientos, y fácil fabricación sobre áreas grandes, hasta múltiples metros cuadrados de recubrimiento con técnicas de esparcimiento por rocío. Las ventajas son dificultades para formar películas epitaxiales, el no poder depositar superestructuras de capas atómicas y una falta de arquitectura específica de las películas.

La técnica de Langmuir-Blodgett (LB)Es un método clásico de la química de superficies para el depósito de mono capas moleculares y multicapas, con una arquitectura controlada y grosos de nanómetros. Las moléculas orgánicas que se usan en este tipo de depósitos contienen dos tipos de grupos funcionales. Una terminación de la molécula es soluble en agua (hidrofílica), por ejemplo, un grupo ácido o alcohol, y la otra terminación contiene grupos hidrocarbonados insolubles (hidrofóbicos). Como resultado las moléculas forman una película en la superficie del agua (llamada película Langmuir) con la terminación hidrofílica en la parte del agua. El rango de aplicaciones va desde películas para litografía, pantallas planas, fotoceldas, dispositivos opto/electrónicos.

Aplicaciones

Silpuran

Película ultradelgada de silicona para aplicaciones médicas, Silpuran

Wacker, grupo químico con sede en Múnich, ha desarrollado un producto ultra-delgado de precisión a base de silicona de alta pureza. La película comercializada bajo el nombre Silpuran se puede utilizar en variadas aplicaciones médicas como recubrimiento flexible de heridas, membrana permeable al oxígeno o elastómero flexible en sensores y músculos artificiales.

Silpuran es una película de silicona de alta pureza con un espesor inferior a 20 micrones. Este producto es fabricado en ambiente estéril para evitar los riesgos de contaminación. Por otra parte, Silpuran no contiene plastificantes o estabilizantes orgánicos. El polímero base cumple con los requisitos de biocompatibilidad de acuerdo con la norma ISO 10993 y la regulación norteamericana US Pharmacopeia Class VI.

El método de fabricación, en proceso de patente, permite la obtención de una película con un espesor de alta uniformidad, con variaciones de máximo 5% con respecto a la especificación. Gracias a la regularidad del espesor y las propiedades particulares de la silicona base, una nueva gama de aplicaciones médicas son ahora posibles a escala industrial.

Silpuran es químicamente inerte, flexible a bajas temperaturas y resistente al rasgado. Por otra parte, la película es impermeable al agua, pero permeable al vapor de agua y otros gases como el oxígeno. Estas características pueden ser utilizadas en la producción de recubrimientos adhesivos permeables para el sanado de heridas abiertas. Silpuran podría utilizarse también como membrana permeable en máquinas corazón-pulmón.

Silpuran exhibe una constante resistencia eléctrica en un amplio rango de temperaturas. Esta característica dieléctrica puede ser aprovechada en componentes médicos de alta tecnología a base de polímeros electro-activos como sensores y actuadores. La película de silicona que hace parte de los actuadores permitiría el desarrollo de nuevas prótesis, cuyos músculos artificiales serían capaces de replicar formas naturales de movimiento.