I Film Sottili Nella Vita di Tutti i Giorni

I film sottili sono diventati elementi comuni della vita quotidiana, quindi difficilmente troveremo un settore di attività in cui non sono presenti. Il primo utilizzo dei film sottili per scopi ottici può essere datato esattamente al 1912. Pohl e Pringsheim pubblicarono il loro famoso libro sulla produzione degli specchi attraverso un processo di vaporizzazione dei metalli come Ag e Al fuori di un crogiuolo di MgO in alto vuoto.

L'utilizzo di rivestimenti a film sottile si è esteso a molte altre applicazioni nel settore dell'ottica come ad esempio rivestimenti antiriflesso, rivestimenti antigraffio, rivestimenti riflettenti UV e IR, ecc. In parallelo, molti altri settori tecnologici hanno iniziato a trarre vantaggio da questa tecnologia: rivestimenti decorativi, rivestimenti tribologici, rivestimenti biomedicali, rivestimenti autopulenti, ecc.

Uno dei campi in cui i film sottili non sono solo utili, ma costituiscono anche la tecnologia chiave di produzione, è l'industria dei semiconduttori, che comprende: dispositivi di telecomunicazione, circuiti integrati (IC), transistor, celle solari, LED, fotoconduttori, LCD, memorie magneto-ottiche, compact disc, rivestimenti elettro-ottici, memorie, display a schermo piatto, smart windows, chip per computer, unità magneto-ottiche, sistemi microelettromeccanici (MEMS) e rivestimenti multifunzionali.

Segue una breve descrizione di come i film sottili hanno trovato applicazione nella vita di tutti i giorni.

Film sottili come rivestimenti ottici

Il rivestimento ottico si forma depositando uno o più strati di un materiale metallico e / o ceramico su un materiale ottico come una lente di vetro o plastica, con l'obiettivo di alterarne le proprietà di trasmissione e riflessione. L'uso del rivestimento antiriflesso è un esempio di rivestimento ottico che riduce la riflessione di superfici ottiche, ad esempio le lenti fotografiche. Questo effetto può essere ottenuto senza alterare significativamente il costo del componente, poiché il materiale del substrato e le relative tecnologie di produzione rimangono le stesse, mentre il costo del rivestimento stesso è notevolmente basso.

Un'altra applicazione di film sottili come rivestimenti ottici la troviamo nei polarizzatori a film sottile. I polarizzatori a film sottile sono polarizzatori ottici basati sull'effetto di interferenza in uno strato dielettrico a film sottile; vengono utilizzati, ad esempio, per ridurre l'abbagliamento e il bagliore nei sistemi ottici o come componente fondamentale dei display LCD.

Film sottili per prevenire la corrosione e l'usura

I film sottili aiutano a prevenire la corrosione delle parti metalliche di molti dispositivi e proteggono dall'usura. Materiali come gioielli, orologi da polso e coltelli sono spesso rivestiti per evitare la corrosione. I rivestimenti a film sottile sono utilizzati anche come protezione anti-ossidante per alcuni materiali sensibili, come l'argento, nelle applicazioni di gioielleria.

Metalli come cromo e zinco sono comunemente usati come rivestimenti per prevenire la corrosione, mentre alcuni materiali ceramici estremamente duri come nitruro di titanio, nitruro di cromo e allumina vengono utilizzati per contrastare l'usura di dispositivi e strumenti.

Film sottili nei semiconduttori

I circuiti integrati e anche i dispositivi a semiconduttore discreti sono formati da una pila di film sottili di materiali conduttivi, semiconduttori e isolanti. I film sottili vengono depositati su un substrato molto piatto quando si realizza un circuito integrato, spesso in silicio o carburo di silicio. Quindi, su questo substrato viene depositata una pila di film sottili attentamente progettata, che è anche nota come "wafer", mentre ogni strato viene accuratamente modellato utilizzando tecnologie litografiche, consentendo così la produzione di un numero molto elevato di dispositivi attivi e passivi allo stesso tempo.

Ogni piccolo dispositivo è a sua volta realizzato dall'interconnessione di strati di film sottili con diverso drogaggio, e l'interconnessione tra diversi dispositivi è gestita mediante l'utilizzo di strati metallici a film sottile, solitamente realizzati in alluminio o rame. Questa tecnologia ha consentito la miniaturizzazione di molti dispositivi a semiconduttore fondamentali, come BJT, FET, MOSFET e diodi, che, a loro volta, consentivano la produzione di computer moderni, memorie e circuiti integrati ad alte prestazioni.

Film sottili in Optoelettronica

Un altro campo in cui la tecnologia dei film sottili è diventata fondamentale è l'optoelettronica. Con tecnologie simili a quelle impiegate per la produzione di circuiti integrati (deposizione / litografia), è possibile la fabbricazione di alcuni dispositivi molto importanti nella vita di oggi: dispositivi LED e OLED per l'illuminazione e per applicazioni visive, LCD, sensori CMOS per videocamere, ecc.

Sorprendentemente, la tecnologia a film sottile consente anche la deposizione di film trasparenti elettricamente conduttivi: ad esempio, i rivestimenti di ossido di indio-stagno (ITO) vengono spesso utilizzati sotto forma di elettrodi conduttivi semplici e trasparenti. La tecnologia a film sottile viene utilizzata anche per produrre batterie a film sottile che vengono poi inserite nei chip.

Film sottili come rivestimenti protettivi e decorativi

I film sottili vengono utilizzati per proteggere la superficie di molti materiali, in particolare gli elementi ottici, da usura, graffi, impronte e persino dalla corrosione. Un rivestimento protettivo a film sottile può anche avere funzioni secondarie, come ad esempio un effetto decorativo, modificando la lucentezza superficiale, il colore apparente, e la sua consistenza.

A volte i film sottili sono usati puramente per scopi decorativi, come nel caso di rivestimenti metallici realizzati su un substrato di plastica, che possono essere realizzati anche con processi di evaporazione, in condizioni di alto vuoto, evitando il tradizionale e nocivo processo basato su deposizione galvanica.

Film sottili nelle celle solari

L'esaurimento dei combustibili fossili e il cambiamento climatico ha reso sempre più importante l'utilizzo di fonti energetiche rinnovabili. Per quanto riguarda l'utilizzo dell'energia solare come mezzo vitale per la produzione di energia con processi sostenibili, sono disponibili due tecnologie consolidate: solare termico e fotovoltaico.

I sistemi solari termici convertono l'energia dal sole (energia radiante) in energia termica con l'aiuto di uno scambiatore di energia chiamato collettore solare. Il collettore solare è di due tipi; concentrante e non concentrante. I film sottili svolgono un ruolo preciso nel rivestimento del collettore solare che ne migliora l'efficienza di conversione fototermica.

La seconda tecnologia, vale a dire il fotovoltaico, è composta di celle a base di silicio che, nel loro processo di produzione, richiedono la deposizione di alcuni strati funzionali a film sottile per migliorarne l'efficienza. Inoltre, la tecnologia di nicchia delle celle solari a film sottile contribuisce alla produzione di celle fotovoltaiche ad altissima efficienza, che vengono utilizzate in applicazioni per ambienti critici (es. Satelliti di telecomunicazioni, militari, ecc.), dove alta affidabilità ed efficienza sono figure chiave.

Film sottili nelle nanotecnologie

L'applicazione di film sottili in nanotecnologia è uno dei più recenti progressi nel campo dei film sottili. Ciò consiste in rivestimenti realizzati con materiali nanocompositi, che conferiscono ai materiali proprietà meccaniche migliori grazie al cosiddetto "effetto dimensionale". Gli effetti funzionali finali che possono essere ottenuti sono: resistenza all'ossidazione, alta aderenza, bassa conduttività termica, resistenza all'usura, maggiore tenacità e durezza.

In questo campo viene utilizzato principalmente il metodo sputtering con magnetron per la deposizione, grazie all'alta purezza e al basso livello di difetti che questo processo consente di ottenere.

In conclusione, il ruolo dei film sottili nella nostra vita di tutti i giorni è infinito e sempre più invenzioni vengono durante lo studio dei film sottili. La tecnologia a film sottile è stata utilizzata finora dall'industria tessile o dei tessuti, gadget, utensili, veicoli, strumenti, costruzioni (strade), visite mediche, decorazione, ecc., tutti prodotti molto utili nella vita di tutti i giorni.

Le tecnologie a film sottile svolgono un ruolo fondamentale nel rendere la vita più facile a tutti.