I film sottili sono diventati un aspetto essenziale della vita umana, tanto che difficilmente possiamo trovare un campo di attività in cui non siano presenti. Il primo utilizzo dei film sottili per scopi ottici può essere datato esattamente al 1912. Pohl e Pringsheim pubblicarono il famoso lavoro sulla produzione di specchi utilizzando un processo di vaporizzazione di metalli come Ag e Al da un crogiolo di MgO in alto vuoto.
Successivamente, l’uso dei rivestimenti in film sottile si è esteso a molte altre applicazioni nell’industria ottica come ad esempio rivestimenti antiriflesso, rivestimenti antigraffio, rivestimenti riflettenti UV e IR, ecc. In parallelo, molti altri campi tecnologici hanno iniziato a beneficiare di questa tecnologia: rivestimenti decorativi, rivestimenti tribologici, rivestimenti biomedici, rivestimenti autopulenti, ecc.
Uno dei campi in cui i film sottili non sono solo utili, ma costituiscono anche la tecnologia di produzione chiave, è l’industria dei semiconduttori, che include: dispositivi di telecomunicazione, circuiti integrati (I.C), transistor, celle solari, LED, fotoconduttori, LCD, memorie magneto-ottiche, compact disc, rivestimenti elettro-ottici, memorie, display a pannello piatto, finestre intelligenti, 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 quotidiana.
Film sottile nei rivestimenti ottici
Il rivestimento ottico prevede la deposizione di uno o più strati di materiale metallico e/o ceramico su un materiale ottico come una lente in 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 delle 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 gli stessi, mentre il costo del rivestimento stesso è notevolmente basso.
Un’altra applicazione dei film sottili nel campo dei rivestimenti ottici è 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 i riflessi nei sistemi ottici, o come componente fondamentale dei display LCD.
Film sottile nella prevenzione della corrosione e dell’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 in film sottile vengono utilizzati anche come protezione anti-ossidazione per alcuni materiali sensibili, come l’argento, nelle applicazioni di gioielleria.
Metalli come il cromo e lo zinco sono comunemente utilizzati per il rivestimento per prevenire la corrosione, mentre alcuni materiali ceramici estremamente duri come il nitruro di titanio, il nitruro di cromo e l’allumina sono utilizzati per prevenire l’usura di dispositivi e utensili.
Film sottile nei semiconduttori
I circuiti integrati e anche i dispositivi semiconduttori discreti sono realizzati 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 fatto di silicio o carburo di silicio. Quindi, una pila di film sottili accuratamente progettata viene depositata su questo substrato – noto anche 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 contemporaneamente.
Ogni piccolo dispositivo è a sua volta realizzato dall’interconnessione di strati di film sottile diversamente drogati, e l’interconnessione tra diversi dispositivi è gestita mediante l’uso di strati metallici a film sottile, solitamente realizzati con alluminio o rame. Questa tecnologia ha portato alla possibilità di miniaturizzazione di molti dispositivi semiconduttori fondamentali, come BJT, FET, MOSFET e diodi, che – a loro volta – hanno permesso la produzione dei moderni computer, memorie e circuiti integrati ad alte prestazioni.
Film sottile nell’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 produzione di alcuni dispositivi molto importanti nella vita di oggi: dispositivi LED e OLED per illuminazione e applicazioni di display, LCD, sensori CMOS per videocamere, ecc.
In particolare, la tecnologia dei film sottili consente anche la deposizione di film trasparenti elettricamente conduttivi: ad esempio, i rivestimenti di ossido di indio-stagno (ITO) sono spesso utilizzati sotto forma di elettrodi conduttivi elettrici piani e trasparenti.
La tecnologia dei film sottili è stata utilizzata anche per produrre batterie a film sottile che sono state poi inserite nei chip.
Film sottile nei rivestimenti protettivi e decorativi
I film sottili vengono utilizzati per proteggere la superficie di molti materiali, specialmente elementi ottici, dall’usura, dai graffi, dalle impronte digitali e persino dalla corrosione. Un rivestimento protettivo in film sottile può anche possedere funzioni secondarie, come ad esempio un effetto decorativo, modificando la lucentezza della superficie, il suo colore apparente e la sua texture.
A volte, i film sottili vengono utilizzati puramente per scopi decorativi, come nel caso di rivestimenti metallici realizzati su un substrato plastico, che possono essere realizzati anche utilizzando un processo di evaporazione, in condizioni di alto vuoto, evitando i processi tradizionali dannosi basati sulla deposizione galvanica.
Film sottile nelle celle solari
L’esaurimento dei combustibili fossili e il cambiamento climatico hanno reso più prominente l’uso di fonti di energia rinnovabili. Per quanto riguarda l’uso dell’energia solare come mezzo praticabile per la produzione di energia con processi sostenibili, sono disponibili due tecnologie consolidate: solare termico e fotovoltaico.
I sistemi solari termici convertono l’energia del sole (energia radiante) in energia termica con l’aiuto di uno scambiatore di energia chiamato collettore solare. Il collettore solare è di due tipi: a concentrazione e non a concentrazione. I film sottili svolgono un ruolo nel rivestimento del collettore solare che migliora l’efficienza di conversione foto-termica.
La seconda tecnologia, ovvero il fotovoltaico, è dominata dall’uso di celle a base di silicio, che – nel loro processo di produzione – necessitano della 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 critiche per lo spazio (ad esempio satelliti per telecomunicazioni, militari, ecc.), dove alta affidabilità ed efficienza sono le figure di merito chiave.
Film sottile nelle nanotecnologie
L’applicazione dei film nelle nanotecnologie è uno dei progressi più recenti nello studio dei film sottili. Ciò comporta il rivestimento con materiali nanocompositi conferendo così ai materiali proprietà meccaniche migliorate grazie a un cosiddetto “effetto dimensionale”. Gli effetti funzionali finali che possono essere ottenuti sono: resistenza all’ossidazione, elevata aderenza, bassa conduttività termica, resistenza all’usura, maggiore tenacità e durezza. In questo campo, viene utilizzato principalmente il metodo di magnetron sputtering per la deposizione, grazie all’elevata purezza e al basso livello di difetti consentiti da questo processo.
In conclusione, il ruolo che i film sottili svolgono nella nostra vita quotidiana è infinito poiché vengono fatte sempre più invenzioni nello studio dei film sottili. La tecnologia dei film sottili è stata utilizzata finora dall’industria tessile o dei tessuti, ai gadget, utensili, veicoli, strumenti, costruzioni (strade), esami medici, decorazione, ecc., tutti prodotti molto utili nella nostra vita quotidiana.
Le tecnologie dei film sottili hanno svolto un ruolo vitale nel rendere la vita più facile per tutti.