Spin coating Jiří Frydrych
Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
Obsah prezentace •
Obecný úvod do problematiky nanášení tenkých filmů metodou spin coating
•
Aplikovatelnost spin coatingu
•
Fáze depozičního procesu
•
Výhody a omezení metody
•
Spinner Spin 150
•
Depozice hematitových fotoelektrod
Spin coating •
•
Metoda nanášení tenkých filmů (nm-µm) z těkavých roztoků či suspenzí na rovinné substráty. Na vodorovně umístěný substrát je naneseno určité množství kapaliny, která se vlivem centrifugace rovnoměrně rozprostře po celé jeho ploše, přičemž přebytek kapaliny odtéká přes okraje substrátu.
•
Tenké filmy jsou tenké materiálové vrstvy nanesené na substrát, jejichž tloušťka se pohybuje od zlomků nanometrů u monovrstev do několika mikrometrů. Jednoduché vrstvy i multivrstvy.
Aplikovatelnost •
Laboratorní i průmyslové využití: •
Fotolitografie (čištění, leptání, sušení, nanášení fotorezistu).
•
Optika (absorpční a antireflexní vrstvy).
•
Elektronika (vodivé a polovodivé vrstvy, LCD a OLED displeje).
•
Solární energie (fotovoltaické i fotokatalytické vrstvy).
•
Záznamová média (CD,DVD, BD).
•
Zušlechťování povrchů (antikorozní, samočistící, antibakteriální, biokompatibilní a chemicky i mechanicky odolné vrstvy).
Fáze spin coatingu •
Nanesení kapaliny
•
Urychlení substrátu (odtok přebytku kapaliny)
•
Vícestupňová rotace (zrovnoměrnění vrstvy, vysoušení)
•
Dosoušení na ploténce
•
Kalcinace
Faktory ovlivňující depozici
Vliv materiálu (viskozita a koncentrace prekurzoru v rozpouštědle, smáčivost, těkavost, obsah pevných částic).
Vliv prostředí (teplota, vlhkost, atmosféra, odvod par, turbulence).
Stabilita podmínek.
Metody nanášení kapaliny na substrát Statická / dynamická:
Nakápnutí.
Sprejování.
Ponoření (dip-spin coating):
Manuální / poloautomatické / automatické dávkování.
Vliv dynamiky depozice •
Úhlová rychlost a zrychlení.
•
Doba rotace.
Vliv rychlosti odvodu par •
Odchod plynů ovlivňuje výslednou podobu filmu jak depozice, tak i během dosoušení a kalcinace
•
Skinefekt:
Nejběžnější defekty filmů Bubliny:
•
•
Bubliny obsažené v kapalině.
•
Vadný hrot dávkovacího zařízení. •
Čmouhy (komety, paprsky): •
Nerozpuštěné částice.
•
Prostoje mezi nanášením a rotací.
•
Příliš velká rychlost.
Víry: Rychlé odpařování rozpouštědla. • Kapalina je nanášena excentricky. • Vysoké zrychlení a rychlost otáčení. • Krátká doba rotace. •
•
•
Středový kruh: Prohnutí substrátu (vakuový držák).
•
•
Nepokrytá místa: •
Malý objem nanášené kapaliny.
•
Nízké zrychlení.
•
Dírky: •
Bubliny v kapalině.
•
Nečistoty v kapalině a na substrátu.
Klady a zápory + Průmyslově i laboratorně adoptovaná metoda. + Nízká technologická náročnost.
- Nanášení omezeno na rovinné středově symetrické substráty -
S rostoucí velikostí substrátu klesá homogenita tloušťky filmu
Min. / max. průměr substrátu: 10 mm / 160 mm.
Vakuový držák substrátu s adaptérem.
Uzavřená NPP hlava.
PVC vložky.
Integrovaný N2 difuzér.
Přesnost rychlosti: ±0,1 ot/min.
Paměť na 20 uživatelem definovaných programů s následujícími možnostmi: Počet kroků v jednom programu: 99. − − − − −
Doba trvání jednoho kroku: (1–999) s. Rychlost: (1–10000) ot/min. Zrychlení: (1–7500) ot/(min.s). Programovatelné spínání 2 reléových kontaktů.
Tandemový fotokatalytický článek
Příprava hematitových fotoelektrod metodou „spin coating“ z prekurzoru FeCl 3
Prekurzor Fe:
FeCl3⋅ 6H2O
Prekurzor Sn:
Bezvodý SnO2
Míra dopace Sn:Fe: 0:100 až 20:100
Rozpouštědlo: THF
Substrát:
Kalcinace: Muflová pec; RT-650 °C; 1,5 °C/min
Objem deponované kapaliny:
150 μl
1. krok:
1000 RPM, 30 s, 2000 RPM/s
2. krok:
4500 RPM, 180 s, 2000 RPM/s
TEC 15 – FTO (F:SnO2); 30 × 12 mm
SEM EDX
AFM
GAXRD
CEMS Vzorek (míra dopace Sn:Fe)
SEXTET
DUBLET
FWHM [mm/s]
Bhf [mm/s]
∆EQ [mm/s]
δ [mm/s]
RA [%]
FWHM [mm/s]
0:100
0,27
51,1
-0,23
0,37
100,0
-
0,0
8:100
0,34
50,6
-0,24
0,38
100,0
-
0,0
16:100
0,34
50,4
-0,20
0,36
73,7
0,42
Vzorek (míra dopace Sn:Fe)
FWHM [º]
Průměrná velikost koherentních domén [nm]
Reziduální pnutí (micro strain) [%]
Standard
0,29
-
-
0:100
0,39
37
0,033
8:100
0,51
21
0,025
16:100
0,45
39
0,085
∆EQ [mm/s]
0,90
RA [%]
26,3
Měření fotokatalytické účinnosti
Výstupy •
Ověřená technologie (12/2010): •
•
A-Z Elektro (4/2010): •
•
•
„Technologie výroby nanostrukturovaných fotokatalyticky aktivních hematitových filmů metodou „spin coating“ z prekurzoru FeCl3“. „Nové postupy depozice nanokrystalických hematitových vrstev pro solární štěpení vody“.
Přihláška se žádostí o udělení patentu a o zápis užitného vzoru (3/2011). Chemistry of Materials (asi 4/2011): •
„Easy realizable low-cost method for fabrication of efficient hematite photoelectrodes: Benefit of tin doping“.
Fond partnerství Program Švýcarsko-české spolupráce: −
5. cyklus (žádosti do 25.3.2011, hodnocení do 25.5.2011).
−
Sivula-Grätzel (-Benvenuti-Sandu?).
−
170tis.-4,3 mil. Kč, doba řešení 18 měsíců.
Otázky & komentáře
Děkuji za pozornost.
