Explicación de la deposición de vapor químico (CVD)

La técnica permite la producción de recubrimientos puros y uniformes de metales o polímeros, incluso en superficies contorneadas.

graphene sheets and carbon nanotube arrays.

In a sense, says MIT chemical engineering professor Karen Gleason, you can trace the technology of chemical vapor deposition, or CVD, all the way back to prehistory: “When the cavemen lit a lamp and soot was deposited on the wall of a cave,” she says, that was a rudimentary form of CVD.

Today, CVD is a basic tool of manufacturing — used in everything from sunglasses to potato-chip bags — and is fundamental to the production of much of today’s electronics. It is also a technique subject to constant refining and expansion, pushing materials research in new directions — such as the production of large-scale sheets of graphene, or the development of solar cells that could be “printed” onto a sheet of paper or plastic.

In that latter area, Gleason, who also serves as MIT’s associate provost, has been a pioneer. She developed what had traditionally been a high-temperature process used to deposit metals under industrial conditions into a low-temperature process that could be used for more delicate materials, such as organic polymers. That development, a refinement of a method invented in the 1950s by Union Carbide to produce protective polymer coatings, is what enabled, for example, the printable solar cells that Gleason and others have developed.

The CVD process begins with tanks containing an initiator material (red) and one or more monomers (purple and blue), which are the building blocks of the desired polymer coating. These are vaporized, either by heating them or reducing the pressure, and are then introduced into a vacuum chamber containing the material to be coated. The initiator helps to speed up the process in which the monomers link up in chains to form polymers on the surface of the substrate material.
Credit: Illustration courtesy of Karen Gleason

This vapor deposition of polymers has opened the door to a variety of materials that would be difficult, and in some cases impossible, to produce in any other way. For example, many useful polymers, such as water-shedding materials to protect industrial components or biological implants, are made from precursors that are not soluble, and thus could not be produced using conventional solution-based methods. In addition, says Gleason, the Alexander and I. Michael Kasser Professor at MIT, the CVD process itself induces chemical reactions between coatings and substrates that can strongly bond the material to the surface.

Gleason’s work on polymer-based CVD began in the 1990s, when she did experiments with Teflon, a compound of chlorine and fluorine. That work led to a now-burgeoning field detailed in a new book Gleason edited, titled “CVD Polymers: Fabrication of Organic Surfaces and Devices” (Wiley, 2015).

At the time, the thinking was that the only way to make CVD work with polymer materials was by using plasma — an electrically charged gas — to initiate the reaction. Gleason tried to carry out experiments to prove this, beginning by running a control experiment without the plasma in order to demonstrate how important it was for making the process work. Instead, her control experiment worked just fine with no plasma at all, proving that for many polymers this step was not necessary.

But the equipment Gleason used allowed the temperature of the gas to be controlled separately from that of the substrate; having the substrate cooler turned out to be key. She went on to demonstrate the plasma-free process with more than 70 different polymers, opening up a whole new field of research.

El proceso puede requerir muchos ajustes, pero es básicamente un conjunto de pasos simples: el material que se va a recubrir se coloca dentro de una cámara de vacío, que determina el tamaño máximo de los objetos que se pueden recubrir. Luego, el material de recubrimiento se calienta o se reduce la presión a su alrededor hasta que el material se vaporiza, ya sea dentro de la cámara de vacío o en un área adyacente desde la cual se puede introducir el vapor. Allí, el material suspendido comienza a depositarse sobre el material del sustrato y forma un revestimiento uniforme. El ajuste de la temperatura y el tiempo del proceso permite controlar el espesor del recubrimiento.

Con metales o compuestos metálicos, como los que se utilizan en la industria de los semiconductores, o los revestimientos de plata dentro de las bolsas de bocadillos, el vapor de metal calentado se deposita en un sustrato más frío. En el proceso del polímero, es un poco más complejo: dos o más compuestos precursores diferentes, llamados monómeros, se introducen en la cámara, donde reaccionan para formar polímeros a medida que se asientan en la superficie.

Incluso el procesamiento CVD a alta temperatura ha evolucionado, con un gran potencial para aplicaciones comerciales. Par exemple, le groupe de recherche de John Hart, professeur agrégé de génie mécanique, a construit un système de traitement rouleau à rouleau utilisant CVD pour fabriquer des feuilles de graphène, un matériau avec des applications potentielles allant des affichages sur grand écran à la filtration agua. sistemas El grupo de Hart y otros han utilizado CVD para producir grandes matrices de nanotubos de carbono, materiales con potencial como nuevos electrodos para baterías o celdas de combustible.

“Es un proceso de fabricación muy versátil y ampliamente utilizado”, dice Hart, “y un proceso muy general que se puede adaptar a muchas aplicaciones diferentes.

Una gran ventaja del procesamiento CVD es que puede crear recubrimientos de espesor uniforme incluso en formas complejas. Por ejemplo, la CVD se puede utilizar para recubrir uniformemente los nanotubos de carbono (pequeños cilindros de carbono puro mucho más delgados que un cabello humano) para cambiar sus propiedades mecánicas y hacerlos reaccionar químicamente a ciertas sustancias.

«Al combinar dos procesos de CVD, uno para hacer crecer nanotubos de carbono y otro para recubrir los nanotubos, tenemos una forma escalable de hacer nanomateriales con nuevas propiedades», dice Hart.

Muchos avances en la investigación de CVD en los últimos años se remontan al descubrimiento inesperado de Gleason en la década de 1990 de que el proceso podría funcionar sin plasma, y ​​su seguimiento de ese descubrimiento. «Hay que tener cuidado cuando sucede algo nuevo», dice ella. «Esa es una especie de clave».