دانشگاه صنعتی شریف: ساخت پوشش نانوساختار سرامیکی عاری از ترک

محققان دانشگاه صنعتی شریف با همکاری پژوهشکده لیزر و اپتیک، موفق به ساخت پوشش‌ سرامیکی عاری از ترک شدند. این پوشش که نانوساختار و متراکم است، به کمک روشی ارزان و ساده قابل تولید است. صنایع مختلفی نظیر الترونیک، اپتیک و فوتونیک می‌توانند از نتایج این طرح بهره‌مند شوند.

تیتانات باریم یک سرامیک اکسیدی است که خواص متنوع و مطلوبی نظیر ضریب دی‌الکتریک بالا و تلفات الکتریکی کم، سبب شده تا این ماده مهم‌ترین جز، جهت ساخت خازن‌های سرامیکی، خصوصاً خازن‌های چند‌لایه سرامیکی (MLCC)، باشد.‌ علاوه‌بر آن، تیتانات باریم یکی از مهم‌ترین اجزای ساخت ردیاب‌های فرو سرخ، دستگاه‌های الکترواپتیک، حافظه‌های فروالکتریک و حسگرهای دمایی، رطوبتی و گاز است. در این پژوهش تلاش شده است تا پوشش‌های بسیار نازک تیتانات باریم بدون ترک از طریق فرآیند سل-ژل تولید شود.
پوشش تولید شده بسیار نازک و نانوساختار است و ضخامت آن به حدود 30 نانومتر می‌رسد. به دلیل عاری بودن از ترک سطح، عملکرد این پوشش نظیر گذردهی نوری و یا ظرفیت خازن‌های چندلایه ساخته شده از آن افزایش چشمگیری داشته است. همچنین افزایش طول عمر پوشش و در نتیجه کاهش هزینه‌های تولیدی از دیگر مزایای 
پوشش تولید شده در آن است. از این روش می‌توان به عنوان یک راهکار کلی برای ساخت پوشش‌های فوق‌العاده نازک، نانوساختار و عاری از ترک استفاده کرد.
به گفته روح اله عشیری، دانشجوی دکترای مهندسی مواد دانشگاه صنعتی اصفهان، به دلیل ماهیت فرآیند سل- ژل، محصولات آن عمدتاً بی‌شکل(آمورف) است و ساختار کریستالی ندارند. همچنین درصد عمده‌ای از وزن محصول اولیه مربوط به ترکیبات فرار است. برای رسیدن به ساختار کریستالی باید این محصولات را خشک و در ادامه کلسینه کرد. اما درطی این مراحل، با خروج ترکیبات فرار و انقباض پوشش، معمولاً در آن ترک بوجود آمده و تخلخل پوشش افزایش می‌یابد. چالشی که سال‌هاست پیش روی جامعه علمی وجود دارد، تهیه پوشش‌های متراکم و عاری از ترک است.
وی در ادامه افزود: «در این طرح دریافتیم که برای تولید پوشش‌های عاری از ترک،  قبل از خشک کردن، باید یک مرحلهی کنترل شده را اعمال کرد. در این مرحله، ابتدا پوشش در یک محیط بسته و در فشار بخار تعادلی سل قرار داده می‌شود تا به آرامی ترکیبات فرار آن خارج شود؛ با این روش از ترک خوردگی در آن جلوگیری خواهد شد. در ادامه، پوشش تحت عمل خشک کردن و پختن قرار می‌گیرد. با این روش می‌توان به پوشش‌های متراکم و عاری از ترک که در عین حال بسیار نازک و نانوساختار نیز هستند، دست یافت».
با توجه به اینکه روش اصلاحی معرفی شده در این تحقیق، صرفاً با افزودن یک مرحله به فناوری‌های قبلی قابل اجراست، به سادگی قابلیت تجاری شدن دارد.
دمای پایین فرایند تولید، همگن بودن در مقیاس اتمی، کنترل ساده‌ی میزان محصولات مد نظر و عدم وجود آلودگی‌ و ناخالصی‌ در محصولات، از مزایای روش سل-ژل در ساخت این پوشش است.

filereader.php?p1=main_6c524f9d5d7027454
روش ابداعی جهت خشک کردن پوشش

همانگونه که ذکر شد، در این طرح، نشان داده شده است که روش معرفی شده، موجب بهبود قابل ملاحظهی  درصد عبور نوری پوشش‌ها می‌شود. برای توضیح این ویژگی باید گفت وجود ترک‌ها، زبری سطح را افزایش می‌دهد و در اثر این افزایش زبری، میزان تلفات نوری پوشش (از طریق جذب و انعکاس) نیز افزایش می‌یابد. همچنین با ناهموار شدن پوشش، سطح واقعی پوشش (Real Area) را در مقایسه با سطح تصویر شده (Projected Area) یا به بیان دیگر سطح زیرلایه افزایش یافته و به این ترتیب تلفات نوری بیشتر خواهد شد. با تولید پوشش عاری از ترک روی سطح، این مشکلات رفع شده است.
نتایج این تحقیق که به درخواست پژوهشکده لیزر و اپتیک انجام شده و حاصل همکاری روح اله عشیری، دکتر علی نعمتی -عضو هیئت علمی دانشگاه صنعتی شریف- و دکتر مرتضی ساسانی قمصری-استادیار پژوهشکده لیزر و اپتیک تهران- است، در مجله Ceramics International (جلد40، شماره 6، ماه ژانویه، سال 2014، صفحات 8613 تا 8619) انتشار یافته است.