ฟิล์มบางคือชั้นของวัสดุที่มีความหนาตั้งแต่เศษส่วนของนาโนเมตร ( โมโนเลเยอร์ ) ไปจนถึงหลายไมโครเมตร[ ^{1 ] การ}สังเคราะห์วัสดุแบบควบคุมเป็นฟิล์มบาง (กระบวนการที่เรียกว่าการตกตะกอน) เป็นขั้นตอนพื้นฐานในการใช้งานหลายอย่าง ตัวอย่างที่คุ้นเคยคือกระจกเงา ในครัวเรือน ซึ่งโดยทั่วไปจะมีชั้นเคลือบโลหะบาง ๆ อยู่ด้านหลังของแผ่นกระจกเพื่อสร้างพื้นผิวสะท้อนแสง กระบวนการเคลือบเงินเคยใช้กันทั่วไปในการผลิตกระจกเงา ในขณะที่เมื่อเร็ว ๆ นี้ชั้นโลหะจะถูกตกตะกอนโดยใช้เทคนิคต่าง ๆ เช่นการสปัตเตอร์ความก้าวหน้าในเทคนิคการตกตะกอนฟิล์มบางในช่วงศตวรรษที่ 20 ทำให้เกิดความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีมากมายในด้านต่าง ๆ เช่นสื่อบันทึกแม่เหล็กอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์อิเล็กทรอนิกส์อุปกรณ์พาสซีฟแบบรวมไดโอดเปล่งแสง การเคลือบทางแสง ( เช่นการ เคลือบ ป้องกันการสะท้อนแสง ) การเคลือบแข็งบนเครื่องมือตัด และสำหรับการผลิตพลังงาน (เช่นเซลล์แสงอาทิตย์แบบฟิล์มบาง ) และการจัดเก็บ ( แบตเตอรี่แบบฟิล์มบาง ) นอกจากนี้ยังนำไปประยุกต์ใช้กับยาผ่านการส่งยาแบบฟิล์มบางด้วย แผ่นฟิล์มบางๆ หลายแผ่นเรียงซ้อนกันเรียกว่า ฟิล์มหลายชั้น (multilayer )

นอกจากประโยชน์ในด้านการประยุกต์ใช้แล้ว ฟิล์มบางยังมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาและศึกษาวัสดุที่มีคุณสมบัติใหม่และเป็นเอกลักษณ์ ตัวอย่างเช่นวัสดุที่มีคุณสมบัติหลายอย่างพร้อมกัน (multiferroic materials)และ โครงสร้างซูเปอร์แลตติส (superlattices)ซึ่งช่วยให้สามารถศึกษาปรากฏการณ์ควอนตัมได้

การเกิดนิวเคลียสเป็นขั้นตอนสำคัญในการเจริญเติบโตที่ช่วยกำหนดโครงสร้างสุดท้ายของฟิล์มบาง วิธีการเจริญเติบโตหลายวิธีอาศัยการควบคุมการเกิดนิวเคลียส เช่น การปลูกผลึกแบบอะตอม (การสะสมอะตอมแบบชั้น) การเกิดนิวเคลียสสามารถจำลองได้โดยการกำหนดลักษณะกระบวนการพื้นผิวของการดูดซับการคายประจุและ การแพร่ กระจายของพื้นผิว^{[ 2 ]}

การดูดซับคือปฏิกิริยาระหว่างอะตอมหรือโมเลกุลของไอระเหยกับพื้นผิวของวัสดุรองรับ ปฏิกิริยานี้มีลักษณะเฉพาะด้วยสัมประสิทธิ์การยึดเกาะ ซึ่งเป็นสัดส่วนของโมเลกุลที่เข้ามาซึ่งอยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อนกับพื้นผิวการคายการดูดซับ เป็นปฏิกิริยาย้อน กลับของการดูดซับ โดยโมเลกุลที่เคยถูกดูดซับไว้ก่อนหน้านี้จะเอาชนะพลังงานยึดเหนี่ยวและหลุดออกจากพื้นผิวของวัสดุรองรับ

การดูดซับสองประเภท ได้แก่ การดูด ซับทางกายภาพ (physisorption) และ การดูดซับทาง เคมี (chemisorption ) แตกต่างกันที่ความแข็งแรงของปฏิกิริยาระหว่างอะตอม การดูดซับทางกายภาพอธิบายถึง พันธะ แวนเดอร์วาลส์ระหว่างโมเลกุลที่ยืดหรือโค้งงอกับพื้นผิว ซึ่งมีลักษณะเฉพาะด้วยพลังงานการดูดซับ โมเลกุลที่ระเหยจะสูญเสียพลังงานจลน์อย่างรวดเร็วและลดพลังงานอิสระลงโดยการสร้างพันธะกับอะตอมของพื้นผิว การดูดซับทางเคมีอธิบายถึงการถ่ายโอนอิเล็กตรอนที่แข็งแรง (พันธะไอออนิกหรือพันธะโคเวเลนต์ ) ของโมเลกุลกับอะตอมของสารตั้งต้น ซึ่งมีลักษณะเฉพาะด้วยพลังงานการดูดซับกระบวนการดูดซับทางกายภาพและทางเคมีสามารถมองเห็นได้ด้วยพลังงานศักย์เป็นฟังก์ชันของระยะทาง ระยะสมดุลสำหรับการดูดซับทางกายภาพจะอยู่ห่างจากพื้นผิวมากกว่าการดูดซับทางเคมี การเปลี่ยนจากสถานะดูดซับทางกายภาพไปเป็นสถานะดูดซับทางเคมีนั้นถูกควบคุมโดยกำแพงพลังงานที่มีประสิทธิภาพ^{[ 2 ]}${\displaystyle E_{p}}$${\displaystyle E_{c}}$${\displaystyle E_{a}}$

พื้นผิวผลึกมีตำแหน่งพันธะเฉพาะที่มีค่ามากกว่าซึ่งโมเลกุลไอระเหยจะเข้ามาครอบครองเพื่อลดพลังงานอิสระโดยรวม ตำแหน่งที่เสถียรเหล่านี้มักพบที่ขอบขั้นบันได ช่องว่าง และการเคลื่อนตัวแบบเกลียว หลังจากที่ตำแหน่งที่เสถียรที่สุดถูกเติมเต็มแล้ว ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอมกับอะตอม (โมเลกุลไอระเหย) ก็จะมีความสำคัญ^{[ 3 ]}${\displaystyle E_{a}}$

จลนศาสตร์การเกิดนิวเคลียสสามารถจำลองได้โดยพิจารณาเฉพาะการดูดซับและการคายประจุ ขั้นแรกให้พิจารณากรณีที่ไม่มีปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอม ที่เกาะอยู่ ไม่มีกลุ่มก้อน หรือปฏิสัมพันธ์กับขอบขั้นบันได

อัตราการเปลี่ยนแปลงของความหนาแน่นของอะตอมบนพื้นผิวโดยที่คือฟลักซ์สุทธิ คืออายุเฉลี่ยของพื้นผิวก่อนการหลุดออก และคือสัมประสิทธิ์การยึดเกาะ: ${\displaystyle n}$${\displaystyle J}$${\displaystyle \tau _{a}}$${\displaystyle \sigma }$

${\displaystyle {dn \over dt}=J\sigma -{n \over \tau _{a}}}$

${\displaystyle n=J\sigma \tau _{a}\left[1-\exp \left({-t \over \tau _{a}}\right)\right]n=J\sigma \tau _{a}\left[\exp \left({-t \over \tau _{a}}\right)\right]}$

การดูดซับสามารถจำลองได้ด้วยไอโซเทอร์มต่างๆ เช่นแบบจำลอง Langmuirและแบบจำลอง BETแบบจำลอง Langmuir หาค่าคงที่สมดุล โดยอิงจากปฏิกิริยาการดูดซับของอะตอมไอระเหยกับช่องว่างบนพื้นผิวของสารตั้งต้น แบบจำลอง BET ขยายขอบเขตออกไปอีกและอนุญาตให้มีการตกตะกอนของอะตอมบนอะตอมที่ดูดซับไว้ก่อนหน้านี้โดยไม่มีปฏิสัมพันธ์ระหว่างกลุ่มอะตอมที่อยู่ติดกัน ความครอบคลุมของพื้นผิวที่ได้จะอยู่ในรูปของความดันไอระเหยสมดุลและความดันที่ใช้ ${\displaystyle b}$

แบบจำลอง Langmuir โดยที่คือความดันไอของอะตอมที่ถูกดูดซับ: ${\displaystyle P_{A}}$

${\displaystyle \theta ={bP_{A} \over (1+bP_{A})}}$

แบบจำลอง BET โดยที่คือความดันไอสมดุลของอะตอมที่ถูกดูดซับ และคือความดันไอที่ใช้กับอะตอมที่ถูกดูดซับ: ${\displaystyle p_{e}}$${\displaystyle p}$

${\displaystyle \theta ={Xp \over (p_{e}-p)\left[1+(X-1){p \over p_{e}}\right]}}$

หมายเหตุสำคัญคือ ผลึกศาสตร์พื้นผิวจะแตกต่างจากผลึกเนื้อในเพื่อลดพลังงานอิเล็กตรอนอิสระและพลังงานพันธะโดยรวมให้น้อยที่สุดเนื่องจากพันธะที่แตกหักที่พื้นผิว ซึ่งอาจส่งผลให้เกิดตำแหน่งสมดุลใหม่ที่เรียกว่า "ขอบ" ซึ่งสมมาตรของแลตติซเนื้อในแบบขนานจะยังคงอยู่ ปรากฏการณ์นี้อาจทำให้เกิดความเบี่ยงเบนจากการคำนวณทางทฤษฎีของการเกิดนิวเคลียส^{[ 2 ]}

การแพร่บนพื้นผิวอธิบายถึงการเคลื่อนที่ด้านข้างของอะตอมที่ถูกดูดซับซึ่งเคลื่อนที่ระหว่างจุดต่ำสุดของพลังงานบนพื้นผิวของสารตั้งต้น การแพร่เกิดขึ้นได้ง่ายที่สุดระหว่างตำแหน่งที่มีสิ่งกีดขวางศักย์ที่ต่ำที่สุด การแพร่บนพื้นผิวสามารถวัดได้โดยใช้การกระเจิงของไอออนแบบมุมเฉียง เวลาเฉลี่ยระหว่างเหตุการณ์สามารถอธิบายได้โดย: ^{[ 2 ]}

${\displaystyle \tau _{d}=(1/v_{1})\exp(E_{d}/kT_{s})}$

นอกจากการเคลื่อนย้ายของอะตอมแล้ว กลุ่มของอะตอมยังสามารถรวมตัวกันหรือลดลงได้ การรวมตัวของกลุ่มผ่านกระบวนการต่างๆ เช่นการเจริญเติบโตแบบ Ostwaldและการเผาผนึก เกิดขึ้นเพื่อลดพลังงานพื้นผิวรวมของระบบ การเจริญเติบโตแบบ Ostwald อธิบายถึงกระบวนการที่เกาะของอะตอมที่มีขนาดต่างๆ กันเติบโตเป็นเกาะที่ใหญ่ขึ้นโดยแลกกับเกาะที่มีขนาดเล็กกว่า การเผาผนึกเป็นกลไกการรวมตัวเมื่อเกาะต่างๆ สัมผัสและรวมกัน^{[ 2 ]}

การนำฟิล์มบางมาเคลือบลงบนพื้นผิวเรียกว่าการเคลือบฟิล์มบาง (thin-film deposition ) ซึ่งเป็นเทคนิคใดๆ ก็ตามที่ใช้ในการเคลือบฟิล์มบางของวัสดุลงบนพื้นผิวรองรับ หรือบนชั้นที่เคลือบไว้ก่อนหน้านี้ คำว่า "บาง" เป็นคำที่ใช้เปรียบเทียบ แต่เทคนิคการเคลือบส่วนใหญ่สามารถควบคุมความหนาของชั้นได้ภายใน ไม่กี่สิบนาโนเมตร เทคนิค ต่างๆ เช่น การปลูกผลึกด้วยลำแสงโมเลกุล (molecular beam epitaxy) , วิธี Langmuir–Blodgett , การเคลือบชั้นอะตอม (atomic layer deposition)และการเคลือบชั้นโมเลกุล (molecular layer deposition)ช่วยให้สามารถเคลือบ อะตอม หรือโมเลกุลได้ทีละชั้น

กระบวนการนี้มีประโยชน์ในการผลิตเลนส์ (เช่น สำหรับ การเคลือบ สะท้อนแสงการเคลือบป้องกันแสงสะท้อนหรือกระจกทำความสะอาดตัวเอง ) อิเล็กทรอนิกส์ (ชั้นของฉนวน สารกึ่งตัวนำและตัวนำประกอบกันเป็นวงจรรวม ) บรรจุภัณฑ์ (เช่นฟิล์ม PET เคลือบอะลูมิเนียม ) และในงานศิลปะร่วมสมัย (ดูผลงานของLarry Bell ) บางครั้งมีการใช้กระบวนการที่คล้ายกันในกรณีที่ความหนาไม่สำคัญ เช่น การทำให้ทองแดงบริสุทธิ์โดยการชุบด้วยไฟฟ้าและการตกตะกอนของซิลิคอนและยูเรเนียม เสริมสมรรถนะ โดย กระบวนการคล้าย การตกตะกอนไอสารเคมีหลังจากกระบวนการในเฟสแก๊ส

เทคนิคการตกตะกอนแบ่งออกเป็นสองประเภทใหญ่ๆ ขึ้นอยู่กับว่ากระบวนการนั้นเป็นทางเคมีหรือทางกายภาพเป็น หลัก ^{[ 4 ]}

ในกระบวนการนี้ สาร ตั้งต้นที่เป็นของเหลวจะเกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีบนพื้นผิวของแข็ง ทำให้เกิดชั้นของแข็งขึ้น ตัวอย่างที่พบได้ทั่วไปคือการเกิดเขม่าบนวัตถุเย็นเมื่อวางไว้ในเปลวไฟ เนื่องจากของเหลวล้อมรอบวัตถุของแข็ง การตกตะกอนจึงเกิดขึ้นบนทุกพื้นผิวโดยไม่คำนึงถึงทิศทางมากนัก ฟิล์มบางๆ ที่ได้จากเทคนิคการตกตะกอนทางเคมีจึงมักเป็นแบบสม่ำเสมอ (conformal ) มากกว่าแบบมีทิศทาง (directional )

การตกตะกอนทางเคมีสามารถแบ่งย่อยได้อีกตามสถานะของสารตั้งต้น:

การชุบโลหะอาศัยสารตั้งต้นที่เป็นของเหลว ซึ่งมักจะเป็นสารละลายของน้ำที่มีเกลือของโลหะที่จะชุบ กระบวนการชุบโลหะบางอย่างขับเคลื่อนด้วยสารเคมีในสารละลายทั้งหมด (โดยปกติสำหรับโลหะมีค่า ) แต่กระบวนการที่สำคัญที่สุดในเชิงพาณิชย์คือการชุบด้วยไฟฟ้าในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ปัจจุบันมีการใช้การชุบด้วยไฟฟ้าขั้นสูงที่เรียกว่าการตกตะกอนด้วยไฟฟ้าเคมีเพื่อสร้างสายนำไฟฟ้าทองแดงในชิปขั้นสูง โดยแทนที่กระบวนการตกตะกอนทางเคมีและทางกายภาพที่ใช้ในชิปรุ่นก่อนๆ สำหรับสายอลูมิเนียม^{[ 5 ]}

การตกตะกอนด้วยสารละลายเคมีหรือการตกตะกอนด้วยอ่างเคมีใช้สารตั้งต้นที่เป็นของเหลว ซึ่งโดยทั่วไปคือสารละลายของผงโลหะอินทรีย์ ที่ละลายในตัวทำละลายอินทรีย์ นี่เป็นกระบวนการสร้างฟิล์มบางที่ค่อนข้างประหยัดและง่าย ซึ่งให้ผลลัพธ์เป็นเฟสผลึกที่มีสัดส่วนทางเคมีที่ถูกต้อง เทคนิคนี้ยังเป็นที่รู้จักกันในชื่อวิธีการ โซล-เจลเนื่องจาก 'โซล' (หรือสารละลาย) ค่อยๆ เปลี่ยนไปเป็นระบบสองเฟสที่มีลักษณะคล้ายเจล

วิธีการ Langmuir –Blodgettใช้โมเลกุลที่ลอยอยู่บนชั้นน้ำ ความหนาแน่นของการบรรจุโมเลกุลจะถูกควบคุม และชั้นโมโนเลเยอร์ที่บรรจุแล้วจะถูกถ่ายโอนไปยังพื้นผิวของแข็งโดยการดึงพื้นผิวของแข็งออกจากชั้นน้ำอย่างควบคุมได้ วิธีนี้ช่วยให้สามารถสร้างฟิล์มบางของโมเลกุลต่างๆ เช่นอนุภาคนาโนโพลิเมอร์ และลิปิด โดยมีความหนาแน่นของการบรรจุอนุภาคและความหนาของชั้นที่ควบคุมได้^{[ 6 ]}

การเคลือบแบบหมุนหรือการหล่อแบบหมุน ใช้สารตั้งต้นที่เป็นของเหลวหรือ สารตั้งต้น โซลเจลที่เคลือบลงบนพื้นผิวเรียบและแบน จากนั้นจึงหมุนด้วยความเร็วสูงเพื่อกระจายสารละลายไปทั่วพื้นผิวโดยแรงเหวี่ยง ความเร็วในการหมุนของสารละลายและความหนืดของโซลจะเป็นตัวกำหนดความหนาขั้นสุดท้ายของฟิล์มที่เคลือบ การเคลือบซ้ำๆ สามารถทำได้เพื่อเพิ่มความหนาของฟิล์มตามต้องการ การบำบัดด้วยความร้อนมักจะทำเพื่อทำให้ฟิล์มที่เคลือบแบบหมุนซึ่งเป็นอสัณฐานตกผลึก ฟิล์มผลึกดังกล่าวสามารถแสดงทิศทางที่ต้องการได้หลังจากตกผลึกบนพื้นผิวผลึก เดี่ยว ^{[ 7 ]}

การเคลือบแบบจุ่มคล้ายกับการเคลือบแบบหมุนตรงที่สารตั้งต้นที่เป็นของเหลวหรือสารตั้งต้นโซลเจลจะถูกเคลือบลงบนพื้นผิว แต่ในกรณีนี้พื้นผิวจะจุ่มลงในสารละลายอย่างสมบูรณ์แล้วจึงดึงออกภายใต้สภาวะที่ควบคุมได้ โดยการควบคุมความเร็วในการดึงออก สภาวะการระเหย (โดยหลักคือความชื้น อุณหภูมิ) และความผันผวน/ความหนืดของตัวทำละลาย จะควบคุมความหนา ความเป็นเนื้อเดียวกัน และสัณฐานวิทยาในระดับนาโนของฟิล์ม มีระบอบการระเหยสองแบบ คือ โซนคาปิลลารีที่ความเร็วในการดึงออกต่ำมาก และโซนการระบายที่ความเร็วในการระเหยที่เร็วกว่า^{[ 8 ]}

โดยทั่วไปแล้ว การตกตะกอนด้วยไอสารเคมีจะใช้สารตั้งต้นในสถานะแก๊ส ซึ่งมักจะเป็นเฮไลด์หรือไฮไดรด์ของธาตุที่จะตกตะกอน ในกรณีของการปลูกผลึกด้วยไอสารเคมีอินทรีย์แบบโลหะ จะใช้ แก๊สอินทรีย์โลหะเทคนิคเชิงพาณิชย์มักใช้ความดันต่ำมากของแก๊สตั้งต้น

การตกตะกอนไอสารเคมีแบบเสริมด้วยพลาสมา (Plasma-enhanced chemical vapor deposition)ใช้ไอไอออนหรือพลาสมาเป็นสารตั้งต้น แตกต่างจากตัวอย่างเขม่าข้างต้น วิธีนี้อาศัยกลไกทางแม่เหล็กไฟฟ้า (กระแสไฟฟ้า การกระตุ้น ด้วยไมโครเวฟ ) แทนที่จะใช้ปฏิกิริยาเคมี เพื่อสร้างพลาสมา

การตกตะกอนแบบชั้นอะตอม (Atomic Layer Deposition: APE)และเทคนิคที่คล้ายคลึงกันอย่างการตกตะกอนแบบชั้นโมเลกุล (Molecular Layer Deposition : MOPE) ใช้สารตั้งต้นที่เป็นก๊าซในการตกตะกอนฟิล์มบางแบบสม่ำเสมอทีละชั้น กระบวนการนี้แบ่งออกเป็นสองปฏิกิริยาย่อย ดำเนินการตามลำดับและทำซ้ำสำหรับแต่ละชั้น เพื่อให้แน่ใจว่าชั้นนั้นอิ่มตัวอย่างสมบูรณ์ก่อนที่จะเริ่มชั้นถัดไป ดังนั้น สารตั้งต้นตัวหนึ่งจะถูกตกตะกอนก่อน จากนั้นจึงตกตะกอนสารตั้งต้นตัวที่สอง ซึ่งในระหว่างนั้นจะเกิดปฏิกิริยาเคมีบนพื้นผิว ทำให้เกิดองค์ประกอบที่ต้องการ ผลจากการดำเนินการทีละขั้นตอน ทำให้กระบวนการนี้ช้ากว่าการตกตะกอนด้วยไอสารเคมี (Chemical Vapor Deposition: CPE) อย่างไรก็ตาม สามารถดำเนินการได้ที่อุณหภูมิต่ำ เมื่อดำเนินการบนพื้นผิวพอลิเมอร์ การตกตะกอนแบบชั้นอะตอมสามารถกลายเป็นการสังเคราะห์แบบแทรกซึมตามลำดับ (Sequential Infiltration Synthesis ) โดยสารตั้งต้นจะแพร่กระจายเข้าไปในพอลิเมอร์และทำปฏิกิริยากับหมู่ฟังก์ชันบนสายโซ่พอลิเมอร์

การตกตะกอนทางกายภาพใช้กลไกทางกล ไฟฟ้าเชิงกล หรืออุณหพลศาสตร์ เพื่อสร้างฟิล์มบางๆ ของของแข็ง ตัวอย่างที่พบได้ทั่วไปคือการเกิดน้ำค้างแข็งเนื่องจากวัสดุทางวิศวกรรมส่วนใหญ่ยึดติดกันด้วยพลังงานค่อนข้างสูง และไม่ได้ใช้ปฏิกิริยาเคมีในการเก็บพลังงานเหล่านี้ ระบบการตกตะกอนทางกายภาพเชิงพาณิชย์จึงมักต้องการสภาพแวดล้อมไอที่มีความดันต่ำเพื่อให้ทำงานได้อย่างเหมาะสม โดยส่วนใหญ่สามารถจัดอยู่ในประเภทการตกตะกอนไอทางกายภาพได้

วัสดุที่จะถูกเคลือบจะถูกวางไว้ใน สภาพแวดล้อมที่ มีพลังงานและเอนโทรปีสูงเพื่อให้อนุภาคของวัสดุหลุดออกจากพื้นผิว พื้นผิวที่เย็นกว่าจะดึงพลังงานจากอนุภาคเหล่านี้เมื่อพวกมันมาถึง ทำให้พวกมันก่อตัวเป็นชั้นของแข็ง ระบบทั้งหมดถูกเก็บไว้ในห้องเคลือบสุญญากาศ เพื่อให้อนุภาคเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระที่สุด เนื่องจากอนุภาคมีแนวโน้มที่จะเคลื่อนที่ตามเส้นทางตรง ฟิล์มที่เคลือบด้วยวิธีการทางกายภาพจึงมักมีทิศทางมากกว่าที่ จะเป็น แบบ สม่ำเสมอ

ตัวอย่างของการสะสมทางกายภาพ ได้แก่:

เครื่องระเหยความร้อนที่ใช้ตัวทำความร้อนแบบต้านทานไฟฟ้าเพื่อหลอมวัสดุและเพิ่มความดันไอให้อยู่ในระดับที่ใช้งานได้ กระบวนการนี้ทำในสภาวะสุญญากาศสูง เพื่อให้ไอสามารถเข้าถึงพื้นผิวได้โดยไม่ทำปฏิกิริยาหรือกระเจิงกับอะตอมของก๊าซอื่นๆ ในห้อง และเพื่อลดการปนเปื้อนของสิ่งเจือปนจากก๊าซที่เหลืออยู่ในห้องสุญญากาศ เฉพาะวัสดุที่มี ความดันไอ สูง กว่าตัวทำความร้อนมากเท่านั้นที่จะสามารถตกตะกอนได้โดยไม่เกิดการปนเปื้อนของฟิล์ม การปลูกผลึกด้วยลำแสงโมเลกุล (Molecular beam epitaxy)เป็นรูปแบบการระเหยความร้อนที่ซับซ้อนเป็นพิเศษ

เครื่องระเหยด้วยลำแสงอิเล็กตรอนจะยิงลำแสงพลังงานสูงจากปืนอิเล็กตรอนเพื่อทำให้วัสดุเดือดในบริเวณเล็กๆ เนื่องจากความร้อนไม่สม่ำเสมอ จึง สามารถใช้กับวัสดุ ที่มีความดันไอ ต่ำ ได้ โดยปกติลำแสงจะถูกหักเหเป็นมุม 270° เพื่อให้แน่ใจว่าไส้หลอดของปืนอิเล็กตรอนจะไม่สัมผัสกับกระแสไอโดยตรง อัตราการตกตะกอนโดยทั่วไปสำหรับการระเหยด้วยลำแสงอิเล็กตรอนอยู่ระหว่าง 1 ถึง 10 นาโนเมตรต่อวินาที

ในการ ปลูกผลึก ด้วยลำแสงโมเลกุล (molecular beam epitaxy ) สามารถฉายลำแสงของธาตุไปยังพื้นผิวได้อย่างช้าๆ เพื่อให้วัสดุตกตะกอนทีละชั้นอะตอม สารประกอบเช่นแกลเลียมอาร์เซไนด์มักจะตกตะกอนโดยการใช้ธาตุหนึ่ง (เช่นแกลเลียม ) ซ้ำๆ จากนั้นจึงใช้ธาตุอีกชนิดหนึ่ง (เช่นอาร์เซนิก ) ซ้ำๆ ทำให้กระบวนการนี้เป็นทั้งทางเคมีและทางกายภาพ ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าการตกตะกอนทีละชั้นอะตอม (atomic layer deposition ) หากใช้สารตั้งต้นที่เป็นอินทรีย์ เทคนิคนี้จะเรียกว่าการตกตะกอนทีละชั้นโมเลกุล (molecular layer deposition ) ลำแสงของวัสดุสามารถสร้างขึ้นได้โดยวิธีการทางกายภาพ (เช่น โดยใช้เตาเผา ) หรือโดยปฏิกิริยาเคมี ( การปลูกผลึกด้วยลำแสงเคมี )

การสปัตเตอริงอาศัยพลาสมา (โดยปกติจะเป็นก๊าซเฉื่อยเช่นอาร์กอน ) ในการทำให้วัสดุหลุดออกจาก "เป้าหมาย" ทีละไม่กี่อะตอม เป้าหมายสามารถรักษาไว้ที่อุณหภูมิต่ำได้ เนื่องจากกระบวนการนี้ไม่ใช่การระเหย ทำให้เป็นหนึ่งในเทคนิคการเคลือบที่ยืดหยุ่นที่สุด โดยเฉพาะอย่างยิ่งมีประโยชน์สำหรับสารประกอบหรือสารผสม ที่ส่วนประกอบต่างๆ มีแนวโน้มที่จะระเหยในอัตราที่แตกต่างกัน โปรดทราบว่าการเคลือบแบบสปัตเตอริงนั้นมีความสม่ำเสมอค่อนข้างดี นอกจากนี้ยังมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในสื่อออปติคอล การผลิตซีดี ดีวีดี และบลูเรย์ทุกรูปแบบทำได้ด้วยเทคนิคนี้ เป็นเทคนิคที่รวดเร็วและยังให้การควบคุมความหนาที่ดี ปัจจุบันมีการใช้ก๊าซไนโตรเจนและออกซิเจนในการสปัตเตอริงด้วย

ระบบ การสะสมด้วยเลเซอร์แบบพัลส์ทำงานโดย กระบวนการ ระเหยพัลส์ของ แสง เลเซอร์ ที่โฟกัส จะทำให้พื้นผิวของวัสดุเป้าหมายระเหยและเปลี่ยนเป็นพลาสมา พลาสมานี้มักจะกลับกลายเป็นก๊าซก่อนที่จะถึงพื้นผิว^{[ 10 ]}

การปลูกผลึกด้วยเลเซอร์ความร้อนใช้แสงที่โฟกัสจากเลเซอร์แบบต่อเนื่องเพื่อระเหยวัสดุด้วยความร้อน^{[ 11 ]}โดยการปรับความหนาแน่นของพลังงานของลำแสงเลเซอร์ ทำให้สามารถระเหยธาตุของแข็งที่ไม่ใช่กัมมันตรังสีได้^{[ 12 ]}จากนั้นไออะตอมที่ได้จะถูกสะสมลงบนพื้นผิว ซึ่งก็ถูกทำให้ร้อนด้วยลำแสงเลเซอร์เช่นกัน^{[ 13 ] [ 14 ]}ช่วงอุณหภูมิของพื้นผิวและการสะสมที่กว้างมากทำให้สามารถ ปลูก ผลึกของธาตุต่างๆ ได้ ซึ่งถือเป็นเรื่องยากสำหรับเทคนิคการปลูกฟิล์มบางแบบอื่นๆ^{[ 15 ] [ 16 ]}

การตกตะกอนด้วยอาร์คแคโทด (การตกตะกอนไอระเหยด้วยอาร์คทางกายภาพ) เป็นการตกตะกอนด้วยลำไอออน ชนิดหนึ่ง โดยสร้างอาร์คไฟฟ้าที่พ่นไอออนออกมาจากแคโทด อาร์คมีกำลังความหนาแน่น สูงมาก ส่งผลให้เกิด การแตกตัวเป็นไอออนในระดับสูง(30–100%) ไอออนที่มีประจุหลายตัว อนุภาคที่เป็นกลาง กลุ่มอนุภาค และอนุภาคขนาดใหญ่ (หยดน้ำ) หากมีการเติมก๊าซที่ทำปฏิกิริยาได้ในระหว่างกระบวนการระเหย การ แตก ตัว การแตกตัวเป็นไอออนและการกระตุ้นสามารถเกิดขึ้นได้ในระหว่างการปฏิสัมพันธ์กับกระแสไอออนและจะเกิดการตกตะกอนเป็นฟิล์มผสม

การตกตะกอน ด้วยไฟฟ้าไฮโดรไดนามิก (การตกตะกอนด้วยไฟฟ้าสเปรย์) เป็นกระบวนการตกตะกอนฟิล์มบางที่ค่อนข้างใหม่ ของเหลวที่จะตกตะกอน ไม่ว่าจะเป็นในรูปของสารละลายอนุภาคนาโนหรือสารละลายธรรมดา จะถูกป้อนเข้าไปในหัวฉีดแบบแคปิลลารีขนาดเล็ก (โดยทั่วไปเป็นโลหะ) ซึ่งเชื่อมต่อกับแรงดันไฟฟ้าสูง พื้นผิวที่จะตกตะกอนฟิล์มจะเชื่อมต่อกับกราวด์ ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า ของเหลวที่ออกมาจากหัวฉีดจะมีรูปร่างเป็นทรงกรวย ( กรวยเทย์เลอร์ ) และที่ปลายกรวยจะมีเจ็ทบางๆ พุ่งออกมา ซึ่งจะแตกตัวเป็นหยดประจุบวกขนาดเล็กมากภายใต้อิทธิพลของขีดจำกัดประจุเรย์ลี หยดเหล่านี้จะเล็กลงเรื่อยๆ และในที่สุดก็จะตกตะกอนลงบนพื้นผิวเป็นชั้นบางๆ ที่สม่ำเสมอ

การเติบโตแบบ Frank–van der Merwe ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} ("ทีละชั้น") ในโหมดการเติบโตนี้ ปฏิสัมพันธ์ระหว่างสารดูดซับกับพื้นผิวและสารดูดซับกับสารดูดซับจะสมดุลกัน การเติบโตประเภทนี้ต้องการการจับคู่แลตติส ดังนั้นจึงถือว่าเป็นกลไกการเติบโตที่ "เหมาะสม"

การเติบโตแบบ Stranski–Krastanov ^{[ 20 ]} ("เกาะร่วม" หรือ "ชั้นบวกเกาะ") ในโหมดการเติบโตนี้ ปฏิสัมพันธ์ระหว่างสารดูดซับกับพื้นผิวจะแข็งแกร่งกว่าปฏิสัมพันธ์ระหว่างสารดูดซับด้วยกันเอง

Volmer–Weber ^{[ 21 ]} ("เกาะที่แยกตัว") ในโหมดการเติบโตนี้ ปฏิสัมพันธ์ระหว่างสารดูดซับกับสารดูดซับจะแข็งแกร่งกว่าปฏิสัมพันธ์ระหว่างสารดูดซับกับพื้นผิว ดังนั้น "เกาะ" จึงก่อตัวขึ้นทันที

มีสามขั้นตอนที่แตกต่างกันของการวิวัฒนาการของความเครียดที่เกิดขึ้นระหว่างการตกตะกอนฟิล์ม Volmer-Weber ^{[ 22 ]}ขั้นตอนแรกประกอบด้วยการก่อตัวของเกาะอะตอมแต่ละเกาะ ในขั้นตอนแรกนี้ ความเครียดโดยรวมที่สังเกตได้นั้นต่ำมาก ขั้นตอนที่สองเริ่มต้นขึ้นเมื่อเกาะแต่ละเกาะเหล่านี้รวมตัวกันและเริ่มกระทบกัน ส่งผลให้ความเครียดดึงโดยรวมในฟิล์มเพิ่มขึ้น^{[ 23 ]}การเพิ่มขึ้นของความเครียดดึงโดยรวมนี้สามารถอธิบายได้จากการก่อตัวของขอบเกรนเมื่อเกาะรวมตัวกัน ซึ่งส่งผลให้แรงระหว่างอะตอมกระทำต่อขอบเกรนที่เกิดขึ้นใหม่ ขนาดของความเครียดดึงที่เกิดขึ้นนี้ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของขอบเกรนที่เกิดขึ้น รวมถึงพลังงานของขอบเกรนด้วย^{[ 24 ]}ในระหว่างขั้นตอนนี้ ความหนาของฟิล์มจะไม่สม่ำเสมอเนื่องจากลักษณะสุ่มของการรวมตัวของเกาะ แต่จะวัดเป็นความหนาเฉลี่ย ขั้นตอนที่สามและขั้นตอนสุดท้ายของการเติบโตของฟิล์มโวลเมอร์-เวเบอร์เริ่มต้นขึ้นเมื่อลักษณะพื้นผิวของฟิล์มไม่เปลี่ยนแปลงไปตามความหนาของฟิล์ม ในระหว่างขั้นตอนนี้ ความเค้นโดยรวมในฟิล์มอาจยังคงเป็นแรงดึง หรืออาจกลายเป็นแรงอัดก็ได้

ในกราฟความเค้น-ความหนาเทียบกับความหนา ความเค้นอัดโดยรวมจะแสดงด้วยความชันที่เป็นลบ และความเค้นดึงโดยรวมจะแสดงด้วยความชันที่เป็นบวก รูปร่างโดยรวมของเส้นโค้งความเค้น-ความหนาเทียบกับความหนาขึ้นอยู่กับเงื่อนไขการประมวลผลต่างๆ (เช่น อุณหภูมิ อัตราการเติบโต และวัสดุ) Koch ^{[ 25 ]}ระบุว่ามีโหมดการเติบโตแบบ Volmer-Weber ที่แตกต่างกันสามโหมด พฤติกรรม Zone I มีลักษณะเฉพาะคือการเติบโตของเกรนต่ำในชั้นฟิล์มที่ตามมาและเกี่ยวข้องกับความคล่องตัวของอะตอมต่ำ Koch แนะนำว่าพฤติกรรม Zone I สามารถสังเกตได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า โหมด Zone I โดยทั่วไปจะมีเกรนแบบคอลัมน์ขนาดเล็กในฟิล์มสุดท้าย โหมดที่สองของการเติบโตแบบ Volmer-Weber จัดเป็น Zone T ซึ่งขนาดเกรนที่พื้นผิวของการตกตะกอนฟิล์มจะเพิ่มขึ้นตามความหนาของฟิล์ม แต่ขนาดเกรนในชั้นที่ตกตะกอนใต้พื้นผิวจะไม่เปลี่ยนแปลง ฟิล์มประเภท Zone T เกี่ยวข้องกับความคล่องตัวของอะตอมที่สูงขึ้น อุณหภูมิการตกตะกอนที่สูงขึ้น และเกรนสุดท้ายรูปตัว V รูปแบบสุดท้ายของการเติบโตแบบ Volmer-Weber ที่เสนอคือการเติบโตแบบ Zone II ซึ่งขอบเขตของเกรนในเนื้อฟิล์มที่พื้นผิวมีความเคลื่อนที่ได้ ส่งผลให้เกิดเกรนขนาดใหญ่แต่เป็นทรงกระบอก รูปแบบการเติบโตนี้เกี่ยวข้องกับความคล่องตัวของอะตอมและอุณหภูมิการตกตะกอนที่สูงที่สุด นอกจากนี้ยังมีความเป็นไปได้ที่จะพัฒนาโครงสร้างแบบผสม Zone T/Zone II ซึ่งเกรนส่วนใหญ่กว้างและเป็นทรงกระบอก แต่มีการเติบโตเล็กน้อยเมื่อความหนาเข้าใกล้พื้นผิวของฟิล์ม แม้ว่า Koch จะเน้นที่อุณหภูมิเป็นหลักเพื่อแนะนำรูปแบบโซนที่เป็นไปได้ แต่ปัจจัยต่างๆ เช่น อัตราการตกตะกอนก็สามารถส่งผลต่อโครงสร้างจุลภาคของฟิล์มขั้นสุดท้ายได้เช่นกัน^{[ 23 ]}

กระบวนการและการประยุกต์ใช้การสร้างฟิล์มบางส่วนหนึ่งมุ่งเน้นไปที่การเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียล (epitaxial growth) ซึ่งเป็นการสร้างฟิล์มบางผลึกที่เติบโตตามโครงสร้างผลึกของพื้นผิว คำว่า เอพิแท็กเซียล มาจากรากศัพท์ภาษากรีก epi (ἐπί) ซึ่งหมายถึง "เหนือ" และ taxis (τάξις) ซึ่งหมายถึง "อย่างเป็นระเบียบ" จึงสามารถแปลได้ว่า "จัดเรียงบน"

คำว่าโฮโมเอพิแท็กซี (homoepitaxy)หมายถึงกรณีเฉพาะที่ฟิล์มของวัสดุชนิดเดียวกันถูกปลูกบนพื้นผิวผลึก เทคโนโลยีนี้ใช้เพื่อสร้างฟิล์มที่มีความบริสุทธิ์มากกว่าพื้นผิว มีความหนาแน่นของข้อบกพร่องต่ำกว่า และสร้างชั้นที่มีระดับการเจือปนที่แตกต่างกัน ส่วนเฮเทอโรเอพิแท็กซี(Heteroepitaxy)หมายถึงกรณีที่ฟิล์มที่ถูกเคลือบนั้นแตกต่างจากพื้นผิว

เทคนิคที่ใช้สำหรับการเจริญเติบโตแบบเอพิแทกเซียของฟิล์มบาง ได้แก่การปลูกแบบเอพิแทกเซียด้วยลำแสงโมเลกุล การตกตะกอนด้วยไอสารเคมีและการตกตะกอนด้วยเลเซอร์แบบพัลส์^{[ 26 ]}

ฟิล์มบางอาจรับแรงสองแกนผ่านความเค้นที่เกิดจากส่วนต่อประสานกับพื้นผิว ฟิล์มบางแบบเอพิแท็กเซียลอาจประสบกับความเค้นจากความเครียด ที่ไม่เข้ากัน ระหว่างแลตติส ที่สอดคล้องกัน ของฟิล์มและพื้นผิว และจากการปรับโครงสร้างของจุดเชื่อมต่อสามจุดบนพื้นผิว^{[ 27 ]}ความเค้นจากความร้อนเป็นเรื่องปกติในฟิล์มบางที่ปลูกที่อุณหภูมิสูงเนื่องจากความแตกต่างของสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนกับพื้นผิว^{[ 28 ]}ความแตกต่างของพลังงานที่ส่วนต่อประสานและการเติบโตและการรวมตัวของเกรนมีส่วนทำให้เกิดความเค้นภายในในฟิล์มบาง ความเค้นภายในเหล่านี้อาจเป็นฟังก์ชันของความหนาของฟิล์ม^{[ 29 ] [ 30 ]}ความเค้นเหล่านี้อาจเป็นแรงดึงหรือแรงอัดและอาจทำให้เกิดการแตกร้าวการโก่งงอหรือการหลุดลอกตามพื้นผิว ในฟิล์มเอพิแท็กเซียล ชั้นอะตอมที่ตกตะกอนในตอนแรกอาจมีระนาบแลตติสที่สอดคล้องกันกับพื้นผิว อย่างไรก็ตาม เมื่อความหนาเกินค่าวิกฤต จะเกิดการเคลื่อนตัวที่ไม่เข้ากันซึ่งนำไปสู่การผ่อนคลายความเค้นในฟิล์ม^{[ 28 ] [ 31 ]}

ฟิล์มอาจประสบกับความเครียดจากการเปลี่ยนแปลงการขยายตัวเมื่อเทียบกับพื้นผิวเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงปริมาตรในฟิล์ม การเปลี่ยนแปลงปริมาตรที่ทำให้เกิดความเครียดจากการขยายตัวอาจมาจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ข้อบกพร่อง หรือการเปลี่ยนแปลงเฟส การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงปริมาตรหากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของฟิล์มและพื้นผิวแตกต่างกัน การสร้างหรือการทำลายข้อบกพร่อง เช่น ช่องว่างการเคลื่อนที่และขอบเกรนจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงปริมาตรผ่านการเพิ่มความหนาแน่น การเปลี่ยนแปลงเฟสและการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงปริมาตรผ่านการบิดเบี้ยวของแลตติส^{[ 32 ] [ 33 ]}${\displaystyle e_{T}}$

ความไม่ตรงกันของสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนระหว่างฟิล์มและวัสดุรองรับจะทำให้เกิดความเครียดทางความร้อนในระหว่างการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ความเครียดเชิงยืดหยุ่นของฟิล์มเมื่อเทียบกับวัสดุรองรับนั้นกำหนดโดย:

${\displaystyle \varepsilon =-(\alpha _{f}-\alpha _{s})(T-T_{0})}$

โดยที่คือความเครียดแบบยืดหยุ่นคือสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของฟิล์มคือสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของพื้นผิวคืออุณหภูมิ และ คืออุณหภูมิเริ่มต้นของฟิล์มและพื้นผิวเมื่ออยู่ในสภาวะที่ไม่มีความเครียด ตัวอย่างเช่น หากฟิล์มถูกเคลือบลงบนพื้นผิวที่มีสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำกว่าที่อุณหภูมิสูง จากนั้นทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิห้อง จะเกิดความเครียดแบบยืดหยุ่นที่เป็นบวกขึ้น ในกรณีนี้ ฟิล์มจะเกิดความเครียดแบบดึง^{[ 32 ]}${\displaystyle \varepsilon }$${\displaystyle \alpha _{f}}$${\displaystyle \alpha _{s}}$${\displaystyle T}$${\displaystyle T_{0}}$

ต่างจากความเครียดจากความร้อนและความเครียดแบบเอพิเท็กเซียล ซึ่งเกิดจากปัจจัยภายนอก เช่น อุณหภูมิและพารามิเตอร์แลตติซของพื้นผิว ความเครียดจากการเติบโตเกิดขึ้นจากภายในฟิล์มเอง การเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นเนื่องจากการสร้างหรือการทำลายข้อบกพร่อง การเปลี่ยนแปลงเฟส หรือการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบหลังจากที่ฟิล์มเติบโตบนพื้นผิวจะสร้างความเครียดจากการเติบโต เช่น ในโหมด Stranski–Krastanov ซึ่งชั้นของฟิล์มมีความเครียดเพื่อให้พอดีกับพื้นผิวเนื่องจากการเพิ่มขึ้นของความอิ่มตัวยิ่งยวดและพลังงานระหว่างพื้นผิวซึ่งเปลี่ยนจากเกาะหนึ่งไปยังอีกเกาะหนึ่ง^{[ 34 ]}ความเครียดแบบยืดหยุ่นเพื่อรองรับการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้เกี่ยวข้องกับความเครียดจากการขยายตัว โดย: ${\displaystyle e_{T}}$

${\displaystyle \varepsilon =-e_{T}/3}$

ฟิล์มที่ประสบกับความเครียดจากการเติบโตจะอยู่ภายใต้สภาวะความเครียดดึงแบบสองแกน ทำให้เกิดความเค้นดึงในทิศทางสองแกนเพื่อให้ตรงกับขนาดของพื้นผิว^{[ 32 ] [ 35 ]}

ความเครียดแบบเอพิแท็กเซียลหมายถึงการเสียรูปยืดหยุ่นของฟิล์มบางอันเป็นผลมาจากความไม่ตรงกันของแลตติสกับพื้นผิวผลึกเดี่ยวที่ฟิล์มนั้นถูกวางลง โครงสร้างผลึกและคุณสมบัติของฟิล์มบางได้รับอิทธิพลอย่างมากจากความเครียดแบบเอพิแท็กเซียล ความเครียดแบบเอพิแท็กเซียลในฟิล์มบางถูกนำมาใช้เพื่อปรับแต่งคุณสมบัติการทำงานต่างๆ เช่น ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของวัสดุเฟอร์โรอิเล็กทริก อุณหภูมิคิวรีของวัสดุตัวนำยิ่งยวด^{[ 36 ]} ฟิล์มที่เติบโตแบบเอพิแท็กเซียลบนพื้นผิวหนาจะมีความเครียดแบบยืดหยุ่นโดยธรรมชาติที่กำหนดโดย:

${\displaystyle \varepsilon \approx {a_{s}-a_{f} \over a_{f}}}$

โดยที่และคือพารามิเตอร์แลตติสของพื้นผิวและฟิล์มตามลำดับ ถือว่าพื้นผิวมีความแข็งเนื่องจากความหนาสัมพัทธ์ ดังนั้นความเครียดแบบยืดหยุ่นทั้งหมดจึงเกิดขึ้นในฟิล์มเพื่อให้เข้ากับพื้นผิว^{[ 32 ]}${\displaystyle a_{s}}$${\displaystyle a_{f}}$

นอกเหนือจากความไม่ตรงกันของแลตติสแล้ว ความเครียดแบบเอพิเท็กเซียลยังได้รับอิทธิพลจากสัณฐานวิทยาของพื้นผิวของวัสดุรองรับด้วย โดยทั่วไปแล้ว วัสดุรองรับสำหรับการเติบโตของฟิล์มบางแบบเอพิเท็กเซียลจะถูกเตรียมโดยการอบเพื่อให้มีขั้นที่เรียบระดับอะตอม อย่างไรก็ตาม ขนาดของขั้นวัสดุรองรับเหล่านี้เมื่อเทียบกับขนาดของเซลล์หน่วยของฟิล์มมักจะไม่ตรงกัน และได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีส่วนทำให้เกิดความเครียดของฟิล์ม และส่งผลกระทบต่อคุณสมบัติของฟิล์มต่อไป^{[ 36 ]}

ความเครียดแบบเอพิแท็กเซียลเป็นฟังก์ชันของความหนาของฟิล์ม สำหรับฟิล์มบาง จะมีความหนาที่สำคัญค่าหนึ่งซึ่งต่ำกว่านั้นฟิล์มจะเกิดความเครียดแบบเอพิแท็กเซียล และสูงกว่านั้นฟิล์มจะผ่อนคลายได้ง่ายขึ้นในเชิงพลังงานโดยการนำข้อบกพร่อง เช่น ดิสโลเคชัน เข้ามา^{[ 37 ]}รูปด้านล่างแสดงผลกระทบของความหนาของฟิล์มต่อความเครียดแบบเอพิแท็กเซียล เนื่องจากฟิล์มเริ่มต้นมีแลตติซที่ใหญ่กว่าของพื้นผิว พารามิเตอร์แลตติซในระนาบของฟิล์มเมื่อเกิดความเครียด (t < t _crit ) จะลดลงเพื่อให้ตรงกับของพื้นผิว และเนื่องจากอัตราส่วนของปัวซอง พารามิเตอร์แลตติซปกติของพื้นผิวจึงคาดว่าจะเพิ่มขึ้น เมื่อฟิล์มผ่อนคลาย (t > t _crit ) ดิสโลเคชันที่ส่วนต่อประสานระหว่างฟิล์มกับพื้นผิวจะทำให้พารามิเตอร์แลตติซของฟิล์มเข้าใกล้พารามิเตอร์ของวัสดุที่เป็นก้อน^{[ 37 ]}

มีการพัฒนารูปแบบต่างๆ สำหรับความหนาที่สำคัญในช่วง 50 ปีที่ผ่านมา รูปแบบแรกที่ใช้ในการทำนายความหนาที่สำคัญได้รับการพัฒนาโดย Matthews และ Blakeslee (MB) ในปี 1974 ซึ่งได้มาจากรูปแบบดังกล่าวโดยอาศัยการสมดุลของแรงระหว่างแรงขับเคลื่อนสำหรับการเลื่อนของดิสโลเคชันและความต้านทานจากความเค้นจากการไม่ตรงกันของแลตติส^{[ 38 ]}รูปแบบ MB ได้รับการพัฒนาขึ้นสำหรับกรณีเฉพาะของฟิล์มบางบนพื้นผิวที่หนา

อย่างไรก็ตาม การศึกษาทดลองในภายหลัง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในฟิล์มบาง SiGe พบความไม่สอดคล้องกันระหว่างการคาดการณ์ของ MB กับข้อมูลการทดลอง ความเบี่ยงเบนระหว่างผลลัพธ์และแบบจำลองอาจเกิดจากข้อเท็จจริงที่ว่าทฤษฎี MB ละเลยปฏิสัมพันธ์ระหว่างดิสโลเคชันและกลไกการก่อตัวของดิสโล เคชัน ^{[ 39 ]}เพื่อแก้ไขข้อจำกัดเหล่านี้ของแบบจำลอง MB นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ จึงได้พัฒนาแบบจำลองขั้นสูงขึ้นซึ่งจะทำนายผลการทดลองได้แม่นยำยิ่งขึ้น ในช่วงปลายทศวรรษ 1980 Dodson และ Tsao ได้พิจารณาข้อโต้แย้งเรื่องความเครียดส่วนเกินแทนที่จะเป็นข้อโต้แย้งเรื่องการปรับสมดุลแรงเพื่อพัฒนาแบบจำลอง DT ซึ่งสอดคล้องกับผลการทดลองสำหรับฟิล์มบาง SiGe เป็นอย่างดี^{[ 40 ] [ 41 ]}ในปี 1996 Freund และ Nix ได้พิจารณาข้อโต้แย้งตามพลังงานเพื่อขยายแบบจำลอง MB สำหรับกรณีของพื้นผิวที่ยืดหยุ่นและฟิล์มเอพิแทกเซียล^{[ 42 ]}

ความเค้นในฟิล์มที่เคลือบลงบนพื้นผิวเรียบ เช่นเวเฟอร์สามารถคำนวณได้โดยการวัดความโค้งของเวเฟอร์อันเนื่องมาจากความเครียดของฟิล์ม การใช้ชุดอุปกรณ์ทางแสง เช่น เลเซอร์^{[ 43 ]}ช่วยให้สามารถตรวจสอบลักษณะของเวเฟอร์ทั้งหมดก่อนและหลังการเคลือบได้ เลเซอร์จะสะท้อนจากเวเฟอร์ในรูปแบบตาราง และการบิดเบี้ยวในตารางจะถูกนำมาใช้ในการคำนวณความโค้ง รวมถึงการวัดค่าคงที่ทางแสง ความเครียดในฟิล์มบางยังสามารถวัดได้โดยการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ สเปก โทรสโกปีรามานหรือโดยการกัดส่วนหนึ่งของฟิล์มโดยใช้ลำแสงไอออนแบบโฟกัสและตรวจสอบการผ่อนคลายผ่านกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน^{[ 30 ]}

วิธีทั่วไปในการกำหนดวิวัฒนาการของความเครียดของฟิล์มคือการวัดความโค้งของเวเฟอร์ระหว่างการตกตะกอน Stoney ^{[ 44 ]}เชื่อมโยงความเครียดเฉลี่ยของฟิล์มกับความโค้งผ่านนิพจน์ต่อไปนี้:

${\displaystyle \kappa ={\frac {6\langle \sigma \rangle h_{f}}{M_{s}h_{s}^{2}}}}$

โดยที่คือโมดูลัสความยืดหยุ่นของวัสดุที่ประกอบเป็นฟิล์ม และคืออัตราส่วนปัวซองของวัสดุที่ประกอบเป็นฟิล์มคือความหนาของพื้นผิวคือความสูงของฟิล์ม และคือความเค้นเฉลี่ยในฟิล์ม ข้อสมมติฐานเกี่ยวกับสูตรของ Stoney ถือว่าฟิล์มและพื้นผิวมีขนาดเล็กกว่าขนาดด้านข้างของเวเฟอร์ และความเค้นมีความสม่ำเสมอทั่วพื้นผิว^{[ 45 ]}ดังนั้น ความหนาความเค้นเฉลี่ยของฟิล์มที่กำหนดสามารถกำหนดได้โดยการอินทิเกรตความเค้นตลอดความหนาของฟิล์มที่กำหนด: ${\displaystyle M_{s}={\frac {\mathrm {E} }{1-\upsilon }}}$${\displaystyle \mathrm {E} }$${\displaystyle \upsilon }$${\displaystyle h_{s}}$${\displaystyle h_{f}}$${\displaystyle \langle \sigma \rangle }$

${\displaystyle \langle \sigma \rangle ={\frac {1}{h_{f}}}\int _{0}^{h_{f}}\sigma (z)dz}$

โดยที่ทิศทางตั้งฉากกับพื้นผิวและแสดงถึงความเค้นในตำแหน่งที่ความสูงเฉพาะของฟิล์ม ความหนาของความเค้น (หรือแรงต่อหน่วยความกว้าง) แสดงโดย เป็นปริมาณที่สำคัญเนื่องจากเป็นสัดส่วนเชิงทิศทางกับความโค้งโดยเนื่องจากความเป็นสัดส่วนนี้ การวัดความโค้งของฟิล์มที่ความหนาของฟิล์มที่กำหนดสามารถกำหนดความเค้นในฟิล์มที่ความหนานั้นได้โดยตรง ความโค้งของเวเฟอร์ถูกกำหนดโดยความเค้นเฉลี่ยของ ในฟิล์ม อย่างไรก็ตาม หากความเค้นไม่ได้กระจายอย่างสม่ำเสมอในฟิล์ม (เช่นเดียวกับชั้นฟิล์มที่ปลูกแบบเอพิแทกเซียลซึ่งไม่ได้ผ่อนคลาย ดังนั้นความเค้นที่แท้จริงจึงเกิดจากความไม่ตรงกันของแลตติสของพื้นผิวและฟิล์ม) เป็นไปไม่ได้ที่จะกำหนดความเค้นที่ความสูงของฟิล์มที่เฉพาะเจาะจงโดยปราศจากการวัดความโค้งอย่างต่อเนื่อง หากมีการวัดความโค้งอย่างต่อเนื่อง อนุพันธ์ของเวลาของข้อมูลความโค้ง: ^{[ 46 ]}${\displaystyle z}$${\displaystyle \sigma (z)}$${\displaystyle \langle \sigma \rangle h_{f}}$${\displaystyle {\frac {6}{M_{s}h_{s}^{2}}}}$${\displaystyle {\frac {d\kappa }{dt}}\propto \sigma (h_{f}){\frac {\partial h_{f}}{\partial t}}+\int _{0}^{h_{f}}{\frac {\partial \sigma (z,t)}{\partial t}}dz}$

สามารถแสดงให้เห็นว่าความเครียดที่แท้จริงเปลี่ยนแปลงอย่างไร ณ จุดใดจุดหนึ่ง โดยสมมติว่าความเครียดในชั้นใต้ของฟิล์มที่ตกตะกอนยังคงคงที่ในระหว่างการตกตะกอนเพิ่มเติม เราสามารถแสดงความเครียดที่เพิ่มขึ้นได้ดังนี้: ^{[ 46 ]}${\displaystyle \sigma (h_{f})}$

${\displaystyle \sigma (h_{f})\propto {\frac {\frac {\partial \kappa }{\partial t}}{\frac {\partial h_{f}}{\partial t}}}={\frac {d\kappa }{dh}}}$

การทดสอบ การกดแบบนาโนเป็นวิธีการวัดคุณสมบัติทางกลของฟิล์มที่นิยมใช้ การวัดเหล่านี้สามารถใช้เปรียบเทียบฟิล์มเคลือบและฟิล์มที่ไม่เคลือบเพื่อเปิดเผยผลกระทบของการบำบัดพื้นผิวต่อการตอบสนองทั้งแบบยืดหยุ่นและแบบพลาสติกของฟิล์ม เส้นโค้งแรง-การเคลื่อนที่อาจเปิดเผยข้อมูลเกี่ยวกับการแตกร้าว การแยกชั้น และความเป็นพลาสติกทั้งในฟิล์มและพื้นผิว^{[ 47 ]}

วิธี Oliver และ Pharr ^{[ 48 ]}สามารถใช้ประเมินผลการทดสอบนาโนอินเดนเทชันสำหรับ การประเมิน ความแข็งและโมดูลัสความยืดหยุ่นโดยใช้รูปทรงอินเดนเตอร์แบบสมมาตร เช่น อินเดนเตอร์ทรงกลม วิธีนี้ถือว่าในระหว่างการคลายแรงกด จะมีการคืนตัวเฉพาะการเสียรูปยืดหยุ่นเท่านั้น (โดยที่การเสียรูปพลาสติกย้อนกลับนั้นน้อยมาก) พารามิเตอร์แสดงถึงแรงกดคือการกระจัดสัมพัทธ์กับพื้นผิวเคลือบที่ไม่เสียรูป และคือความลึกของการเจาะขั้นสุดท้ายหลังจากการคลายแรงกด สิ่งเหล่านี้ใช้ในการประมาณความสัมพันธ์ของกฎกำลังสำหรับเส้นโค้งการคลายแรงกด: ${\displaystyle P}$${\displaystyle h}$${\displaystyle h_{f}}$

${\displaystyle P=\alpha (h-h_{f})^{m}}$

หลังจาก คำนวณ พื้นที่สัมผัสแล้ว จะประมาณค่าความแข็งโดยใช้สูตร:${\displaystyle A}$

${\displaystyle H={\frac {P_{max}}{A}}}$

จากความสัมพันธ์ของพื้นที่สัมผัส ความแข็งในการคลายโหลดสามารถแสดงได้ด้วยความสัมพันธ์: ^{[ 49 ]}

${\displaystyle S=\beta {\frac {2}{\surd \pi }}E_{eff}\surd A}$

โดยที่โมดูลัสความยืดหยุ่นที่มีประสิทธิภาพนั้นคำนึงถึงการเคลื่อนที่แบบยืดหยุ่นในชิ้นงานและหัวกด ความสัมพันธ์นี้ยังสามารถนำไปใช้กับการสัมผัสแบบยืดหยุ่น-พลาสติก ซึ่งไม่ได้รับผลกระทบจากการยกตัวและการยุบตัวระหว่างการกดได้อีกด้วย ${\displaystyle E_{eff}}$

${\displaystyle {\frac {1}{E_{eff}}}={\frac {1-\nu ^{2}}{E}}+{\frac {1-\nu ^{2}}{E_{i}}}}$

เนื่องจากฟิล์มมีความหนาน้อย การตรวจสอบพื้นผิวโดยไม่ได้ตั้งใจจึงเป็นเรื่องที่น่ากังวล เพื่อหลีกเลี่ยงการกดทะลุฟิล์มเข้าไปในพื้นผิว ความลึกของการเจาะมักจะน้อยกว่า 10% ของความหนาของฟิล์ม^{[ 50 ]} สำหรับหัวกดรูปกรวยหรือรูปพีระมิด ความลึกของการกดจะแปรผันตาม โดยที่คือรัศมีของวงกลมสัมผัส และคือความหนาของฟิล์ม อัตราส่วนของความลึกของการเจาะและความหนาของฟิล์มสามารถใช้เป็นพารามิเตอร์มาตราส่วนสำหรับฟิล์มอ่อนได้^{[ 47 ]}${\displaystyle a/t}$${\displaystyle a}$${\displaystyle t}$${\displaystyle h}$

การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์เป็นเทคนิคที่ไม่ทำลายที่มีประสิทธิภาพสำหรับการวัดความเครียดในฟิล์มบางที่เป็นผลึก การวัดตำแหน่งเชิงมุมของยอดการเลี้ยวเบนที่แม่นยำสามารถใช้เพื่อกำหนดพารามิเตอร์แลตติสของฟิล์มบางได้ การเบี่ยงเบนจากพารามิเตอร์แลตติสที่ไม่มีความเครียดจะให้ค่าความเครียดที่มีอยู่ในฟิล์ม^{[ 51 ]}

สำหรับฟิล์มที่รับแรงดึงสองแกนที่มีความเครียดในระนาบ (ϵ _∣∣ ) และความเครียดนอกระนาบ (ϵ _⊥ ) ความเครียดนอกระนาบสามารถคำนวณได้โดยใช้พารามิเตอร์แลตติซนอกระนาบที่วัดได้ a _⊥ผ่านนิพจน์ต่อไปนี้: ^{[ 51 ]}

${\displaystyle \epsilon _{\perp }={\frac {a_{\perp }-a_{0}}{a_{0}}}}$

หากสมมติว่าฟิล์มเป็นแบบไอโซโทรปิก ความเครียดในระนาบสามารถคำนวณได้โดยใช้ทฤษฎีความยืดหยุ่น: ^{[ 52 ]}

${\displaystyle \epsilon _{\parallel }={\frac {\nu -1}{2\nu }}\epsilon _{\perp }}$

อัตราส่วนปัวซงของภาพยนตร์เรื่องนี้อยู่ ที่ไหน${\displaystyle \nu }$

สเปกโทรสโกปีไมโครรามาน มักถูกนำมาใช้เพื่อสร้างแผนที่สถานะความเครียดในฟิล์มบางผลึกเดี่ยวแบบไม่รุกรานด้วยความละเอียดเชิงพื้นที่สูง^{[ 53 ]}ความถี่ของยอดรามานมีความไวต่ออุณหภูมิ โพลาไรเซชัน ประจุ และความหนาแน่นของข้อบกพร่อง รวมถึงความเครียด ความเครียดแบบอัดมักจะทำให้ความถี่ของยอดรามานลักษณะเฉพาะเลื่อนไปทางสีน้ำเงิน (เพิ่มขึ้น) ในขณะที่ความเครียดแบบดึงจะทำให้ความถี่ของยอดรามานเลื่อนไปทางสีแดง (ลดลง) ความเครียดที่ขึ้นอยู่กับความหนาสามารถคำนวณได้โดยตรงจากขนาดของการเลื่อน ตราบใดที่ทราบค่าสัมประสิทธิ์การเลื่อนความถี่โฟนอน-ความเครียดที่เหมาะสม (ศักยภาพการเปลี่ยนรูปของโฟนอน) และมีการเปลี่ยนแปลงน้อยที่สุดในความหนาแน่นของประจุและข้อบกพร่องทั่วบริเวณที่สนใจ^{[ 53 ]}

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านความละเอียดสูง (HRTEM) หรือกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (STEM) สามารถใช้ในการวัดระยะห่างระหว่างระนาบในวัสดุผลึกได้โดยตรง^{[ 54 ]}วิธีการเลี้ยวเบน เช่น การเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนแบบนาโนบีม (NBED) จะวัดระยะห่างระหว่างระนาบแบบผกผัน เทคนิคเหล่านี้สามารถนำมาใช้ใน TEM เพื่อวัดความเครียดของโครงสร้างผลึกในสองมิติ การเปรียบเทียบระยะห่างเหล่านี้ในบริเวณที่มีความเครียดและไม่มีความเครียดในผลึกจะให้ค่าความเครียด [ ^{54 ] การ}วิเคราะห์เฟสทางเรขาคณิต (GPA) จะวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงเฉพาะที่ในส่วนประกอบฟูริเยร์ของเส้นริ้วโครงสร้างเพื่อสร้างแผนที่ความเครียดสองมิติเชิงปริมาณจากภาพโครงสร้างผลึก TEM ความละเอียดสูงที่มีความละเอียดใกล้เคียงอะตอม^{[ 55 ]}นอกจากนี้ การเคลื่อนที่ของดิสโลเคชันที่ไม่เข้ากันและข้อบกพร่องอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับความเครียดสามารถถ่ายภาพได้โดยตรงโดยใช้ความแตกต่างของการเลี้ยวเบนในภาพ TEM ^{[ 56 ]}

คุณลักษณะโซน Laue ลำดับสูง (HOLZ) สามารถวัดได้อย่างแม่นยำโดยใช้การเลี้ยวเบนอิเล็กตรอนแบบลำแสงรวมเทคนิคนี้จำกัดความหนาและการวางแนวของตัวอย่าง แต่ให้ความไวที่ยอดเยี่ยม สามารถวัดการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์แลตติซได้น้อยกว่า 0.1 พิโคเมตร^{[ 37 ] [ 54 ]}ซึ่งทำให้สามารถกำหนดความเครียดและการเปลี่ยนแปลงการวางแนวของเนื้อสัมผัสในแต่ละเม็ดของฟิล์มโพลีคริสตัลไลน์ได้

ความเครียดและการคลายความเครียดในฟิล์มสามารถส่งผลต่อคุณสมบัติของวัสดุฟิล์ม เช่น การขนส่งมวลในแอปพลิเคชันไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ดังนั้นจึงมีการใช้มาตรการป้องกันเพื่อลดหรือสร้างความเครียดดังกล่าว ตัวอย่างเช่น อาจมีการวางชั้นบัฟเฟอร์ระหว่างพื้นผิวและฟิล์ม ^{[ 30 ]}วิศวกรรมความเครียดยังใช้เพื่อสร้าง โครงสร้าง เฟสและโดเมนต่างๆ ในฟิล์มบาง เช่น ในโครงสร้างโดเมนของเฟอร์โรอิเล็กทริกตะกั่วเซอร์โคเนตไททาเนต (PZT) ^{[ 57 ]}

ในวิทยาศาสตร์กายภาพ สื่อ แบบหลายชั้นหรือแบบแบ่งชั้นคือชั้นฟิล์มบางๆ ที่แตกต่างกัน โดยทั่วไป สื่อแบบหลายชั้นจะถูกสร้างขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์เฉพาะ เนื่องจากชั้นต่างๆ นั้นบางเมื่อเทียบกับขนาดความยาวที่เกี่ยวข้อง ผลกระทบ ที่ส่วนต่อประสานจึงมีความสำคัญมากกว่าในวัสดุที่เป็นก้อน ทำให้เกิดคุณสมบัติทางกายภาพใหม่ๆ^{[ 58 ]}

คำว่า "มัลติเลเยอร์" ไม่ใช่ส่วนขยายของ " โมโนเลเยอร์ " และ " ไบเลเยอร์ " ซึ่งหมายถึง ชั้น เดียวที่มีความหนาเพียงหนึ่งหรือสองโมเลกุล แต่สื่อมัลติเลเยอร์นั้นประกอบด้วยฟิล์มบางๆ หลายชั้น

• สารเคลือบทางแสงเช่นที่ใช้ในกระจกไดอิเล็กทริกนั้น ประกอบด้วยชั้นหลายชั้นที่มีดัชนีหักเห แตกต่าง กัน
• ความต้านทานแม่เหล็กขนาดยักษ์เป็นปรากฏการณ์ควอนตัมระดับมหภาคที่สังเกตได้ในชั้นนำไฟฟ้าที่เป็นแม่เหล็กและไม่เป็นแม่เหล็กสลับกัน

การใช้ฟิล์มบางสำหรับการเคลือบตกแต่งน่าจะเป็นการประยุกต์ใช้ที่เก่าแก่ที่สุด ซึ่งรวมถึงแผ่นทองคำเปลว บางประมาณ 100 นาโนเมตร ที่ใช้กันในอินเดียโบราณเมื่อกว่า 5,000 ปีที่แล้ว อาจเข้าใจได้ว่าเป็นการวาดภาพรูปแบบใดก็ได้ แม้ว่างานประเภทนี้โดยทั่วไปจะถือว่าเป็นงานฝีมือทางศิลปะมากกว่าสาขาวิศวกรรมหรือวิทยาศาสตร์ ในปัจจุบัน วัสดุฟิล์มบางที่มีความหนาแปรผันและดัชนีหักเห สูง เช่นไทเทเนียมไดออกไซด์มักถูกนำมาใช้สำหรับการเคลือบตกแต่งบนกระจกเป็นต้น ทำให้เกิดสีรุ้งคล้ายน้ำมันบนน้ำ นอกจากนี้ พื้นผิวสีทองทึบแสงอาจเตรียมได้โดยการสปัตเตอร์ทองคำหรือไทเทเนียมไนไตรด์

ชั้นเหล่านี้ทำหน้าที่ทั้งในระบบสะท้อนแสงและ ระบบ หักเหแสงกระจกสะท้อนแสงขนาดใหญ่เริ่มมีใช้กันในช่วงศตวรรษที่ 19 โดยผลิตโดยการพ่นโลหะเงินหรืออะลูมิเนียมลงบนกระจก เลนส์หักเหแสงสำหรับเครื่องมือทางแสง เช่น กล้องถ่ายรูปและกล้องจุลทรรศน์ มักแสดงความคลาดเคลื่อน กล่าวคือ พฤติกรรมการหักเหแสงที่ไม่เป็นไปตามอุดมคติ ในอดีตต้องใช้เลนส์จำนวนมากเรียงกันตามเส้นทางแสง แต่ปัจจุบัน การเคลือบเลนส์ด้วยชั้นโปร่งใสหลายชั้นของไทเทเนียมไดออกไซด์ซิลิคอนไนไตรด์หรือซิลิคอนออกไซด์ เป็นต้น สามารถแก้ไขความคลาดเคลื่อนเหล่านี้ได้ ตัวอย่างที่รู้จักกันดีของความก้าวหน้าในระบบทางแสงด้วยเทคโนโลยีฟิล์มบาง คือ เลนส์ที่มีความกว้างเพียงไม่กี่มิลลิเมตรในกล้องสมาร์ทโฟนตัวอย่างอื่นๆ ได้แก่ การเคลือบสารป้องกันการสะท้อนแสงบนแว่นตาหรือแผงโซลาร์เซลล์

ฟิล์มบางมักถูกเคลือบเพื่อปกป้องชิ้นงานด้านล่างจากอิทธิพลภายนอก การป้องกันอาจทำได้โดยการลดการสัมผัสกับตัวกลางภายนอกให้น้อยที่สุด เพื่อลดการแพร่กระจายจากตัวกลางไปยังชิ้นงานหรือในทางกลับกัน ตัวอย่างเช่น ขวดพลาสติกใส่น้ำมะนาวมักถูกเคลือบด้วยชั้นป้องกันการแพร่กระจายเพื่อหลีกเลี่ยงการแพร่กระจายของCO₂ ซึ่งเป็นก๊าซที่เกิดจากการสลายตัวของกรดคาร์บอนิ _กที่ถูกนำเข้าไปในเครื่องดื่มภายใต้ความดันสูง อีกตัวอย่างหนึ่งคือฟิล์มTiN บาง _ๆ ใน ชิปไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ที่แยกสายอลู _มิเนียมนำไฟฟ้าออกจากฉนวนSiO₂เพื่อยับยั้งการก่อตัวของAl₂O₃บ่อยครั้งที่ฟิล์มบางๆ ทำหน้าที่เป็นตัวป้องกันการเสียดสีระหว่างชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ทางกล ตัวอย่างของการใช้งานหลังนี้ ได้แก่_ชั้นคาร์บอนคล้ายเพชรที่ใช้ในเครื่องยนต์รถยนต์ หรือฟิล์มบางๆ ที่ทำจาก นาโน คอมโพสิต

ชั้นบางๆ จากโลหะธาตุ เช่น ทองแดง อะลูมิเนียม ทองคำ หรือเงิน เป็นต้น และโลหะผสม ได้ถูกนำมาประยุกต์ใช้ในอุปกรณ์ไฟฟ้ามากมาย เนื่องจากมีค่าการนำไฟฟ้า สูง จึงสามารถนำกระแสไฟฟ้าหรือจ่ายแรงดันไฟฟ้าได้ ชั้นโลหะบางๆ เหล่านี้ใช้ในระบบไฟฟ้าทั่วไป เช่น ชั้น Cu บนแผงวงจรพิมพ์ตัวนำกราวด์ภายนอกในสายเคเบิลโคแอกเซียลและรูปแบบอื่นๆ เช่น เซ็นเซอร์ เป็นต้น^{[ 60 ]}การประยุกต์ใช้งานที่สำคัญอย่างหนึ่งคือการใช้ในอุปกรณ์พาสซีฟแบบรวมและวงจรแบบรวม [ ^{61 ]}ซึ่งเครือข่ายไฟฟ้าระหว่างอุปกรณ์แอคทีฟและพาสซีฟ เช่นทรานซิสเตอร์ และตัว ^เก็บประจุ เป็นต้น ถูกสร้างขึ้นจากชั้น Al หรือ Cu บางๆ ชั้นเหล่านี้มีความหนาอยู่ในช่วงไม่กี่ร้อยนาโนเมตรถึงไม่กี่ไมโครเมตร และมักจะฝังอยู่ใน ชั้น ไทเทเนียมไนไตรด์ บางๆ _{เพียง} ไม่กี่นาโนเมตร เพื่อป้องกันปฏิกิริยาเคมีกับไดอิเล็กทริกโดยรอบ เช่นSiO2ภาพแสดงไมโครกราฟของโครงสร้างโลหะ TiN/Al/TiN ที่วางเรียงกันในแนวราบในชิปไมโครอิเล็กทรอนิกส์^{[ 59 ]}

โครงสร้างเฮเทอโรส ตรักเจอร์ ของแกลเลียมไนไตรด์และสารกึ่งตัวนำ ที่คล้ายกัน สามารถทำให้อิเล็กตรอนถูกยึดไว้ในชั้นบางระดับนาโนเมตร ซึ่งมีพฤติกรรมเสมือนก๊าซอิเล็กตรอนสองมิติผลกระทบทางควอนตัมในฟิล์มบางดังกล่าว สามารถเพิ่มความคล่องตัวของอิเล็กตรอน ได้อย่างมาก เมื่อเทียบกับผลึกขนาดใหญ่ ซึ่งถูกนำมาใช้ใน ทรานซิสเตอร์ ที่ มีความคล่องตัวของอิเล็กตรอนสูง

ฟิล์มบาง โลหะมีค่าใช้ใน โครงสร้าง พลาสมอนิกเช่นเซนเซอร์เรโซแนนซ์พลาสมอนพื้นผิว (SPR) โพลาไรตันพลาสมอนพื้นผิวเป็นคลื่นพื้นผิวในระบแสงที่แพร่กระจายระหว่างส่วนต่อประสานโลหะ-ไดอิเล็กทริก ในการกำหนดค่า Kretschmann-Raether สำหรับเซนเซอร์ SPR ปริซึมจะถูกเคลือบด้วยฟิล์มโลหะผ่านการระเหย เนื่องจากคุณสมบัติการยึดเกาะที่ไม่ดีของฟิล์มโลหะ ฟิล์มเจอร์ มาเนียมไทเทเนียมหรือโครเมียมจึงถูกใช้เป็นชั้นกลางเพื่อส่งเสริมการยึดเกาะที่แข็งแรงขึ้น^{[ 62 ] [ 63 ] [ 64 ]}ฟิล์มบางโลหะยังใช้ในการออกแบบท่อนำคลื่นพลาสมอนิก อีกด้วย ^{[ 65 ] [ 66 ]}

เทคโนโลยีฟิล์มบางกำลังได้รับการพัฒนาเพื่อลดต้นทุนของเซลล์แสงอาทิตย์ ลงอย่างมาก เหตุผลก็คือเซลล์แสงอาทิตย์แบบฟิล์มบางมีต้นทุนการผลิตที่ถูกกว่า เนื่องจากต้นทุนวัสดุ ต้นทุนพลังงาน ต้นทุนการจัดการ และต้นทุนเงินทุนที่ลดลง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้ กระบวนการ อิเล็กทรอนิกส์แบบพิมพ์ ( roll-to-roll ) เทคโนโลยีฟิล์มบางอื่นๆ ที่ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการวิจัยหรือมีวางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์อย่างจำกัด มักถูกจัดประเภทเป็นเซลล์แสงอาทิตย์รุ่นใหม่หรือรุ่นที่สามซึ่งรวมถึง เซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์ เซลล์แสงอาทิตย์ แบบย้อมสีและเซลล์แสงอาทิตย์พอ ลิเมอร์ รวมถึง เซลล์แสงอาทิตย์ ควอนตัมดอท [ ^{67 ] ทองแดง}สังกะสีดีบุกซัลไฟด์นาโนคริสตัลและ เพอร์รอฟส ไกต์^{[ 68 ] [ 69 ]}

เทคโนโลยีการพิมพ์ฟิล์มบางกำลังถูกนำมาใช้เพื่อประยุกต์ใช้โพลิเมอร์ลิเธียม แบบโซลิดสเตทกับ พื้นผิวต่างๆเพื่อสร้างแบตเตอรี่เฉพาะสำหรับการใช้งานเฉพาะทางแบตเตอรี่ฟิล์มบางสามารถวางลงบนชิปหรือแพ็คเกจชิปโดยตรงในรูปทรงหรือขนาดใดก็ได้ แบตเตอรี่แบบยืดหยุ่นสามารถทำได้โดยการพิมพ์ลงบนพลาสติก ฟอยล์โลหะบาง หรือกระดาษ^{[ 70 ]}

เพื่อการย่อขนาดและควบคุมความถี่เรโซแนนซ์ของผลึกเพียโซอิเล็กทริกได้อย่างแม่นยำยิ่งขึ้น จึง มีการพัฒนา ตัวเรโซเนเตอร์อะคูสติกแบบฟิล์มบาง (TFBARs/FBARs) สำหรับใช้ในออสซิเลเตอร์ ตัวกรองและดูเพล็กเซอร์สำหรับการสื่อสารโทรคมนาคม และแอปพลิเคชันเซ็นเซอร์

ตำราเรียน

ประวัติศาสตร์