Dewetting

Ten artykuł dotyczy zwilżanie. Zobacz też: inne znaczenia.

Dewetting – proces fizyczny polegający na cofaniu się cieczy lub cienkiej warstwy materiału z powierzchni stałej, którą początkowo pokrywała. Zjawisko to jest przeciwieństwem zwilżania i zachodzi, gdy warunki energetyczne sprzyjają zmniejszeniu powierzchni kontaktu między warstwą a podłożem.

W literaturze polskojęzycznej termin najczęściej występuje w oryginalnej formie dewetting (np. „proces dewettingu cienkich warstw”), rzadziej jako „utrata zwilżania” lub „odzwilżanie”.

Proces dewettingu jest determinowany przez równowagę napięć międzyfazowych. Kluczową wielkością opisującą stabilność filmu jest współczynnik rozprzestrzeniania się:

${\displaystyle S=\gamma _{SG}-\gamma _{SL}-\gamma _{LG}}$

gdzie:

• ${\displaystyle \gamma _{SG}}$ – napięcie powierzchniowe między fazą stałą a gazową,
• ${\displaystyle \gamma _{SL}}$ – napięcie między fazą stałą a cieczą,
• ${\displaystyle \gamma _{LG}}$ – napięcie powierzchniowe ciecz–gaz.

Jeżeli ${\displaystyle S<0}$, film jest niestabilny i może ulegać dewettingowi^[1].

Dewetting może zachodzić poprzez różne mechanizmy:

• heterogeniczna nukleacja otworów – w filmie pojawiają się lokalne obszary odsłonięcia podłoża, które następnie rosną;
• spinodalny dewetting – spontaniczny wzrost fluktuacji grubości filmu prowadzący do jego rozpadu;
• agregacja materiału w formę kropli lub wysp.

Proces ten występuje również w cienkich filmach ciał stałych poniżej temperatury topnienia (solid-state dewetting). W takich przypadkach ciągła warstwa rozpada się na oddzielne wyspy w wyniku minimalizacji energii powierzchniowej,^[2] co jest napędzane mechanizmami dyfuzji powierzchniowej i napięciami na krawędziach filmu.

Mechanizmy te mają istotne znaczenie w mikroelektronice oraz technologii cienkich warstw,^[3] zarówno z punktu widzenia kontroli integralności warstw, jak i tworzenia nanostruktur o kontrolowanych rozmiarach i rozmieszczeniu.

Aktualnie znane są różne sposoby sterowania tym procesem które pozwalają wpływać na morfologię powstających struktur i kinetykę cofania się filmu:

1. Wpływ naprężeń (strain) w warstwach: Badania wykazały, że początkowe naprężenia w filmie mają znaczący wpływ na dewetting – wyższy poziom naprężenia zmniejsza wielkość powstałych agregatów i zwiększa ich gęstość, a także może prowadzić do wydłużenia kształtu wysp wzdłuż określonych kierunków krystalograficznych.^[4]

2. Warstwa węglowa jako modyfikator powierzchni: Dodanie cienkiej warstwy węglowej (np. ≤1 nm) na film krzemowy przed wygrzewaniem może zmieniać proces dewettingu, wpływając na ostateczny rozmiar oraz gęstość nanokrystalicznych agregatów.^[5]

3. Implantacja argonu: Wstępne implantowanie jonów argonu w filmie przed dewettingiem jest skutecznym sposobem kontroli wielkości i gęstości nanokrystalicznych struktur powstałych po dewettingu. Wyższa dawka implantacji powoduje tworzenie mniejszych, gęściej rozmieszczonych wysp.^[6]

4. Kontrola składu ultracienkich filmów SiGe: W filmach SiGe, dewetting można wykorzystać do formowania nanokrystalicznych wysp o kontrolowanym stosunku Si/Ge. Pozwala to uzyskać pożądany skład nanokrystalicznych wysp, co jest istotne dla ich właściwości elektronicznych i optycznych.^[7]

Kontrola procesów dewettingu jest wykorzystywana m.in. w:

• wytwarzaniu mikro- i nanostruktur,
• technikach drukowania cienkich warstw,
• projektowaniu powłok funkcjonalnych,
• technologii ogniw paliwowych.

• Zwilżanie
• Napięcie powierzchniowe