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薄膜の吸着 - 薄膜技術入門講座 第5回 -

物質同士の吸着

相変わらず不定期に続いている薄膜技術入門講座の時間です。
前回まで、真空についてみていきましたが、今回からはちょっと薄膜自体に話題を戻して生きたいと思います。
第1回「薄膜とは」で説明したとおり、薄膜はそれ自体だけでは存在できず、基板などに付着した形で存在することが出来ます。
しかし薄膜は、単に基板の上にのっかっているだけではなく、しっかりとくっついていなくては使い物になりません。

今までの例のように、沸騰したヤカンの上の板に水が付着しているだけでは、板を動かしたら水も落ちてしまいます。
たとえばアルミニウムなどの薄膜を形成したとして、もし結露した水と同じような状態だとしたら、基板の上に付着しているだけなので、ちょっとこすったりするとすぐに剥がれてしまいます。
これでは薄膜は使い物になりません。
第5回では、薄膜がどのように基板上に吸着しているかについてみていきましょう。

物理吸着と化学吸着

上記のような板の上の水にしても、窓に結露している水にしても、それぞれ水が板や窓と結合していることに変わりはありません。
ただ結合が非常に弱いので、簡単に離れてしまいます。
このような結合を物理吸着(物理結合)といいます。
これは水の分子が固体表面にファンデルワールス力や静電気などの弱い力によって吸着している状態です。
その吸着力は非常に弱いので、薄膜形成に適した吸着とはいえません。

ところで物質の吸着には、この物理吸着の他に、もうひとつの状態があります。
これを化学吸着(化学結合)といいます。
たとえば学生のときに誰もが行う実験ですが、スチールウール(鉄)を火で燃やしてみると、何が出来るでしょうか?
そう、酸化鉄という物質に変化しますよね。
これは言うまでも無いと思いますが、鉄(スチールウール)と空気中の酸素が、燃焼の過程で結合したための変化です。
このような結合を化学吸着(化学結合)といいます。
化学吸着は、物理吸着に対して、非常に強力な吸着(結合)です。
もしこの酸化鉄を元の鉄に還元しようとすると、どうすればいいでしょう?
たとえばアルミニウムと酸化鉄の粉末を混ぜたものを加熱すると、アルミニウムが鉄に吸着している酸素とより強く反応・吸着し、酸化アルミニウムと鉄に変化します。
このような反応をテルミット反応といいますが、化学吸着を分離するためには、こういった作業が必要になるわけです。
化学吸着した物質同士を分離するのは、物理吸着のように簡単にはいきません。

薄膜の吸着

話を薄膜に戻します。
今まで2つの吸着を見てきましたが、薄膜技術で大切なのはもちろん化学吸着です。
薄膜が基板に強く吸着していなくては、さまざまな用途で使われる薄膜は役に立ちません。
なので、化学吸着を実現するため、いろいろな手段を用います。

またたとえば、鉄は電気を通しますが、酸化鉄は電気を通さなくなるなどと、その物質の性質自体が化学吸着によって変わってしまいます。
薄膜も、基板と化学吸着することで、元の金属とは異なった性質を示すことになります。
このあたりの性質についても、今後見ていきましょう。

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