નિર્વાત લેપન (vacuum coating)

શૂન્યાવકાશની સ્થિતિમાં કોઈ પદાર્થના નિમ્ન આધારપૃષ્ઠ (substrate) ઉપર અન્ય પદાર્થનું પાતળું સ્તર, વરખ કે પાતળી કપોટી(thin film)નો ઢોળ ચઢાવવાની પ્રક્રિયા.

સુસ્પષ્ટ સ્ફટિકરચના ધરાવતી અને નિયંત્રિત દરે જુદા જુદા પદાર્થોની પાતળી ફિલ્મ બનાવવાના ક્ષેત્રે, છેલ્લા ચાર-પાંચ દાયકામાં ખૂબ ઝડપથી વિકાસ થયો છે. આવી ફિલ્મના બહુમુખી ગુણધર્મો જેવા કે વિશિષ્ટ રચના, યાંત્રિક અસરો, પરિવહનની ઘટના (transport phenomenon), અતિવાહકતા (superconductivity), પ્રકાશીય ગુણધર્મો, લોહચુંબકીય ગુણધર્મો વગેરેનો વૈજ્ઞાનિક તેમજ ઔદ્યોગિક ક્ષેત્રે નોંધપાત્ર વિકાસ થયો છે.

પાતળા સ્તર અથવા ફિલ્મના નિક્ષેપણ(deposit)ની પદ્ધતિઓને મુખ્યત્વે બે વિભાગમાં વહેંચી શકાય : (1) ભૌતિક પદ્ધતિ અને (2) રાસાયણિક પદ્ધતિ. ભૌતિક પદ્ધતિમાં (1) ઉષ્મીય બાષ્પાયન (thermal evaporation) અને (2) ઋણાગ્રી કણક્ષેપણ (cathedic spattering) મુખ્ય છે; જ્યારે રાસાયણિક પદ્ધતિમાં (1) વિદ્યુતલેપન (electroplating) અને (2) રાસાયણિક બાષ્પનિક્ષેપણ (chemical vapor deposition) ખૂબ પ્રચલિત છે. ભૌતિક પદ્ધતિમાં વાયુની નિર્વાત સ્થિતિ આવશ્યક છે. ઉષ્મીય બાષ્પીભવન ઉચ્ચ (high), અતિ ઉચ્ચ (very high) અને અત્યંત ઉચ્ચ (ultra high) નિર્વાત સ્થિતિમાં થાય છે; જ્યારે ઋણાગ્રી કણક્ષેપન 20થી 100 મિલીટોર જેટલા દબાણે થાય છે. (1 મિલીટોર = 10^–3 મિમી. પારાનું દબાણ.) રાસાયણિક બાષ્પનિક્ષેપણ થોડાક ટોર દબાણથી વાતાવરણ કરતાં સહેજ વધુ દબાણની મર્યાદામાં થઈ શકે છે.

નિર્વાત ઉષ્મીય બાષ્પીભવન : 1887માં નાહવોલ્ડે શૂન્યાવકાશમાં પ્લૅટિનમ ધાતુના તારને ઊંચા તાપમાને ગરમ કરી, ધાતુની પાતળી ફિલ્મનું નિક્ષેપણ કરવાની શક્યતા વિચારી, એડિસને સૌપ્રથમ વિદ્યુત ગોળાની અંદરની સપાટી પર બાષ્પીભવન દ્વારા મળતી કાર્બનની પાતળી ફિલ્મનું નિરીક્ષણ કર્યું.

નિર્વાત બાષ્પીભવન માટેના ઉપકરણને ત્રણ વિભાગમાં વિભાજિત કરી શકાય :

(1) બેલ જાર – નિક્ષેપણ ચેમ્બર;

(2) પમ્પિંગ તંત્ર;

(3) વિદ્યુત જોડાણો.

જ્યારે કોઈ ઘન પદાર્થને પૂરતા ઊંચા તાપમાને અને નીચા દબાણે ગરમ કરવામાં આવે, ત્યારે તેનું બાષ્પીભવન થાય છે. આ બાષ્પનું, પ્રમાણમાં ઠંડા એવા નિમ્ન આધારપૃષ્ઠ (substrate) પર ઠારણ થતાં, તેની સપાટીને કારણે પાતળી ફિલ્મ રચાય છે.

ફિલ્મનિક્ષેપણ અથવા લેપનના પાત્રની રચનામાં મુખ્ય ભાગ નીચે પ્રમાણે હોય છે :

(1) બેલ જાર જે સામાન્ય રીતે બંધ નળાકાર અને ઉપરના ભાગમાં શંકુ આકાર સ્વરૂપે હોય છે. તેમાં જરૂરી શૂન્યાવકાશ ઉત્પન્ન કરી બાષ્પીભવન દ્વારા ફિલ્મનિક્ષેપણ માટે જરૂરી વાતાવરણ ઊભું કરવામાં આવે છે.

(2) નિમ્ન આધારપૃષ્ઠ (substrate) અને તેને ટેકવવા માટેની ગોઠવણ.

(3) યાંત્રિક અથવા વિદ્યુતચુંબકીય ઢાંકણ.

(4) બાષ્પીભવન પામતો પદાર્થ (evaporant) અને તેને રાખવા માટેની બોટ, ક્વાર્ટ્ઝ ક્રુસિબલ વગેરે જેવી રચના.

(5) બાષ્પીભવન પામતા પદાર્થને ગરમ કરવાની રચના.

(6) બાષ્પાયનના દર નિયમન તથા ફિલ્મની જાડાઈની માપણી અને નિયમન માટેની જરૂરી રચના.

25° સે. તાપમાને અને 10^–4 ટોર જેટલા દબાણે વાયુના અણુઓનો સરેરાશ મુક્ત પથ (mean free path) 45 સેમી. જેટલો હોય છે. (સરેરાશ મુક્ત પથ એટલે એક અણુ બીજા અણુ સાથે સંઘાત પામ્યા વગર જે સરેરાશ અંતર કાપે તે અંતર). બાષ્પ ઉદભવસ્થાન અને આધારપૃષ્ઠ વચ્ચેનું અંતર 10થી 50 સેમી. જેટલું હોય છે. ઉદભવસ્થાનમાંથી ઉત્સર્જન પામેલા પરમાણુઓ સુરેખ ગતિ કરીને સીધા આધારપૃષ્ઠ પર  નિક્ષેપણ પામે તે માટે બેલ જારની અંદરનું દબાણ 10^–5 ટોર  જેટલું કે તેથી ઓછું હોવું જરૂરી છે. ઉષ્મીય બાષ્પીભવન દ્વારા ઉત્તમ ગુણવત્તાવાળી પાતળી ફિલ્મ બનાવવા માટે નિર્વાત દબાણ 10^–8 ટોર કરતાં નીચું હોય તે ઇચ્છવાજોગ છે. આથી ફિલ્મનિક્ષેપણ માટે શકય હોય ત્યાં અત્યંત ઊંચી નિર્વાત સ્થિતિ કરવામાં આવે છે. નિમ્ન આધારપૃષ્ઠ પર બાષ્પનિક્ષેપણનો દર ઉદભવસ્થાનની ભૌમિતિક રચના, નિમ્ન આધારપૃષ્ઠને અનુલક્ષીને તેના સ્થાન તથા ઠારણ ગુણક ઉપર આધાર રાખે છે.

બેલ જારની બાહ્ય સપાટી પર વાતાવરણનું દબાણ હોય છે, જ્યારે અંદરના ભાગનું દબાણ ખૂબ ઓછું હોય છે. આથી બેલ જાર દબાણના મોટા તફાવતનો પ્રતિકાર કરી શકે તેવા પ્રકારના દ્રવ્યની બનાવવી જોઈએ. સામાન્ય રીતે બેલ જાર પાયરેક્સ ગ્લાસ, સ્ટેનલેસ સ્ટીલ કે ઍલ્યુમિનિયમ ધાતુની બનાવવામાં આવે છે.

નિમ્ન આધારપૃષ્ઠ અથવા મૂલાધાર (substrate) : જે હેતુ અને ગુણધર્મોના અભ્યાસ માટે પાતળી ફિલ્મ મેળવવાની હોય, તેને અનુરૂપ નિમ્ન આધારપૃષ્ઠની પસંદગી કરવામાં આવે છે, કારણ કે નિમ્ન આધારપૃષ્ઠ પદાર્થના પ્રકાર અને તેની સપાટીની ગુણવત્તા, તેના પર નિક્ષેપણ કરવામાં આવતી ફિલ્મના ગુણધર્મો પર વ્યાપક અસર કરે છે; દા. ત., બહુસ્ફટિક (polycrystalline) ફિલ્મ મેળવવા માટે પાયરેક્સ કાચ, ક્વાર્ટ્ઝ તથા સિરામિક પદાર્થનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. અધિરોહી વિકાસ (epitaxial growth) માટે આલ્કલી હેલાઇડ, માઇકા, મૅગ્નેશિયમ ઑક્સાઇડ (Mgo), સિલિકોન (Si), જર્મેનિયમ (Ge) વગેરેનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે.

નિમ્ન આધારપૃષ્ઠ અને તેના પર નિક્ષેપ કરવામાં આવતી ફિલ્મ વચ્ચે રાસાયણિક પ્રક્રિયા થવી જોઈએ નહિ. ઉપરાંત નિમ્ન આધારની સપાટી અત્યંત સૂક્ષ્મ, અર્થાત્, પારમાણ્વિક સ્તરે લીસી હોવી જોઈએ. પાયરેક્સ, ક્વાર્ટ્ઝ વગેરેની સપાટી પર સૂક્ષ્મ ઘસરકા કે ખરબચડાપણું હોય તો તે પ્રકાશીય પૉલિશ અને ફાયર પૉલિશ વડે દૂર કરવામાં આવે છે. યોગ્ય પદાર્થના એકાકી સ્ફટિક(single crystal)નું બ્લેડની ધાર વડે વિચ્છેદન કરતાં મળતી આંતરસપાટી (cleavage surface) પારમાણ્વિક સ્તરે લીસી (smooth) હોય છે. આલ્કલી હેલાઇડ, મૅગ્નેશિયમ ઑક્સાઇડ, માઇકા વગેરેના સ્ફટિકોનું વિચ્છેદન કરી તેમની આંતરસપાટીને નિમ્ન આધારપૃષ્ઠ બનાવી તેના પર ફિલ્મ-નિક્ષેપ કરવામાં આવે છે. કેટલીક વાર સ્ફટિકની વિચ્છેદિત આંતરસપાટી પર પણ અશુદ્ધિ રૂપે સૂક્ષ્મ રજકણો હોય છે, જે સરળતાથી દૂર કરી શકાતા નથી. આવી અશુદ્ધિ સ્ફટિક પર નિક્ષેપ કરવામાં આવતી ફિલ્મના ગુણધર્મ ઉપર અસર કરે છે.

નિમ્ન આધારપૃષ્ઠની સફાઈ : કાચ, ધાતુ કે અન્ય પદાર્થના બનેલા મૂલાધાર પર ટકાઉ અને બરાબર ચીપકી રહે તેવી ફિલ્મ મેળવવા માટે મૂલાધારની સપાટી ગ્રીઝ, પાણીની બાષ્પ તેમજ અન્ય અશુદ્ધિ રજકણોથી મુક્ત હોવી જોઈએ. આ માટે ફિલ્મ-નિક્ષેપણ કરતાં પહેલાં મૂલાધારની સપાટીને ભૌતિક તેમજ રાસાયણિક રીતે સ્વચ્છ કરવામાં આવે છે. મૂલાધાર પદાર્થની જાતને અનુલક્ષીને સફાઈ માટે અનેક પદ્ધતિઓ શોધાઈ છે.

મોટા ભાગે વપરાતી પદ્ધતિ અનુસાર, સૌપ્રથમ પરાશ્રાવ્ય (ultrasonic) રીતે ઉત્તેજિત કરાયેલા ડિટર્જન્ટ વડે મૂલાધારની સપાટી સાફ કરતાં તેના પરની મુખ્ય ભૌતિક અશુદ્ધિઓ દૂર થાય છે. કેટલીક વાર ડિટર્જન્ટ ગરમ હોય તો સપાટીના ધોવાણને લીધે તેના પર વિશિષ્ટ આકૃતિવાળા ખાડા (etch pits) પડે છે, જે દૂર કરવા સપાટીને ડી-આયોનાઇઝ્ડ પાણી વડે ધોવામાં આવે છે. ત્યારબાદ સપાટીને આલ્કોહૉલ વડે ધોઈ નાઇટ્રોજનના પ્રવાહમાં સૂકવવામાં આવે છે. આ રીતે મૂલાધાર પૃષ્ઠની સફાઈ કરતાં, તે ફિલ્મ-નિક્ષેપણ માટે યોગ્ય બને છે. નિર્વાત ચેમ્બરમાં પણ તેના પર કેટલીક અશુદ્ધિ જમા થઈ શકે જે અટકાવવા તેને ઊંચા તાપમાને ગરમ કરવામાં આવે છે. ફાયર-પૉલિશ, ગ્લો ડિસ્ચાર્જ કે કણક્ષેપણ (સ્પટરિંગ) વડે પણ મૂલાધારની સપાટી સ્વચ્છ બનાવી શકાય છે.

બાષ્પીભવન–પદ્ધતિઓ : બાષ્પ-ઉદભવસ્થાનનો હેતુ બાષ્પીભવન માટેના પદાર્થ બાષ્પાયક(evaporant)ને આધાર તેમજ બાષ્પીભવન થવા માટે જરૂરી તાપમાન પૂરું પાડવાનો છે, મોટાભાગના ઘન પદાર્થોનું બાષ્પીભવન 1,000° સે.થી 2,000° સે. તાપમાનના ગાળામાં થાય છે. બાષ્પાયકને આ તાપમાનમર્યાદામાં ગરમ કરવા માટે બાષ્પ ઉદભવસ્થાનની વિશિષ્ટ રચના તથા જુદી જુદી પદ્ધતિનો ઉપયોગ થાય છે.

અવરોધક ઉષ્મીકરણ દ્વારા થતી બાષ્પીભવનની પદ્ધતિ પ્રમાણમાં સરળ અને વ્યાપક રીતે પ્રચલિત છે. આ રીતમાં ટંગ્સ્ટન (W), મૉલિબ્ડેનમ (Mo), ટૅન્ટેલમ (Ta) અને નાઇઓબિયમ (Nb) જેવી ઊંચું ગલનબિંદુ ધરાવતી અવરોધક ધાતુઓ(refractory metals)ના ફિલામેન્ટ, કુંતલ આકારનાં ગૂંચળાં કે ‘બોટ’ બનાવી તેના પર બાષ્પાયક પદાર્થને રાખી તેમાંથી યોગ્ય વિદ્યુતપ્રવાહ પસાર કરતાં તે ગરમ થાય છે અને યોગ્ય ઊંચા તાપમાને બાષ્પાયકનું બાષ્પીભવન કરે છે. કેટલીક વાર ફિલામેન્ટને બદલે ક્વાર્ટ્ઝ ગ્રૅફાઇટ, ઍલ્યુમિના, બેરિલિયા કે ઝરકોનિયાની બનેલી ક્રુસિબલમાં બાષ્પાયક પદાર્થ મૂકી તેને પરોક્ષ રીતે ગરમ કરવામાં આવે છે. બાષ્પ-ઉદભવસ્થાનના પદાર્થની પસંદગી બાષ્પાયકના બાષ્પીભવન તાપમાન પર આધાર રાખે છે. વળી, તે બાષ્પાયક સાથે રાસાયણિક પ્રક્રિયા ન કરે તે પણ ધ્યાનમાં રાખવું જરૂરી છે.

જો બાષ્પાયક ગલન પામતાં પહેલાં ઉચ્ચ બાષ્પદબાણ ધરાવતો હોય તો તે ઘન સ્થિતિમાંથી સીધું (પ્રવાહી સ્થિતિમાં રૂપાંતર પામ્યા સિવાય) બાષ્પસ્થિતિમાં ઊર્ધ્વીકરણ પામે છે. આ રીતે મળતી બાષ્પનું નિમ્નાધાર પર ઠારણ કરતાં, તેના પૃષ્ઠ પર ફિલ્મની રચના થાય છે.

બહુઘટક મિશ્રધાતુઓ (alloys) કે સંયોજનોનું ઉષ્મીય બાષ્પીભવન કરતાં તેના જુદા જુદા ઘટકો ભિન્ન દરથી બાષ્પીભવન પામે છે. કારણ કે તેમનાં બાષ્પદબાણ જુદાં જુદાં હોય છે. વળી નિમ્નાધાર સાથે તેમની પ્રક્રિયાનું વલણ પણ જુદું હોય છે. ક્યારેક મૂળ બાષ્પાયક પદાર્થ ઉષ્મીય વિઘટન પણ પામતા હોઈ શકે. આ સંજોગોમાં જુદા જુદા ઘટકોનું જુદાં જુદાં ઉદભવસ્થાનો વડે બાષ્પીભવન કરી નિમ્નાધાર પર ચોક્કસ દરે અને ચોક્કસ ઉચ્ચ તાપમાને નિક્ષેપણ કરવામાં આવે તો ઇચ્છિત ગુણધર્મો અને રચના ધરાવતી મિશ્રધાતુ કે સંયોજનની ફિલ્મ મેળવી શકાય છે.

બિસ્મથ ટેલ્યુરાઇડ (Bi₂ Te₃) અને III-V સંયોજકતાવાળા સંયોજનની ફિલ્મ ફ્લૅશ-બાષ્પીભવન દ્વારા મેળવવામાં આવે છે. આ પદ્ધતિમાં ગરમ પદાર્થ પર મિશ્ર ધાતુ કે સંયોજનને પાઉડર સ્વરૂપે સતત આપાત કરતાં, તેમનું ફલૅશ-બાષ્પીભવન થાય છે.

વાહક પદાર્થના બે વીજાગ્રો વચ્ચે આર્ક ઉત્પન્ન કરતાં Nb અને Ta જેવા રિફ્રેક્ટરી પદાર્થોનું બાષ્પીભવન થાય છે. ઇલેક્ટ્રૉન માઇક્રોસ્કોપ વડે નમૂનાના પદાર્થની પૃષ્ઠરચનાનો અભ્યાસ કરવા તેના પર કાર્બનનું થર (coating) કરવું જરૂરી છે, જે માટે આ રીતનો ઉપયોગ થાય છે.

લેસર કિરણોની પ્રચંડ તીવ્રતાનો ઉપયોગ પદાર્થને ગરમ કરી તેનું બાષ્પીભવન કરવા માટે થાય છે. બાષ્પાયકને નિર્વાત ચેમ્બરમાં મૂકી બહારથી આપાત લેસર-કિરણોને બાષ્પાયક પર કેન્દ્રિત કરતાં તેનું બાષ્પીભવન થાય છે. અવરોધક ઉષ્મીકરણ દ્વારા પદાર્થના બાષ્પીભવનમાં કેટલીક વાર ફિલ્મમાં, આધારપૃષ્ઠના પદાર્થની અશુદ્ધિ દાખલ થવાની સંભાવના રહે છે. આ ક્ષતિ દૂર કરવા બાષ્પાયક પર ઇલેક્ટ્રૉનનું પ્રતાડન કરતાં તે ગરમ થઈ બાષ્પીભવન પામે છે. ઇલેક્ટ્રૉનનાં કિરણોને વિદ્યુત લેન્સ કે ચુંબકીય લેન્સની રચના વડે બાષ્પાયક પર કેન્દ્રિત કરવામાં આવે છે. સૈદ્ધાંતિક રીતે આ રીત વડે કોઈ પણ પદાર્થનું બાષ્પીભવન પ્રતિસેકંડ આંશિક એંગ્સ્ટ્રોમ (1A°= 10^–10 મીટર)થી માંડી માઇક્રૉન(10^–6 મીટર)ના દરે કરી શકાય છે. આ રીતમાં ઇલેક્ટ્રૉનની તીવ્ર ઊર્જાના કારણે બાષ્પાયકનું ઉષ્મીય વિઘટન તથા કેટલાંક સંયોજનોમાં બંધારણીય ફેરફાર થવાની શકયતા છે, જે તેની મર્યાદા દર્શાવે છે.

ઋણ વીજાગ્રનું કણક્ષેપણ : ફિલ્મ-નિક્ષેપણ માટે જરૂરી બાષ્પ ઉત્પન્ન કરવાની બીજી અગત્યની પદ્ધતિ ઋણવીજાગ્ર કણક્ષેપણ છે.

શક્તિશાળી કણના પ્રતાડન દ્વારા લક્ષ્યાંક પદાર્થ(target)ની સપાટી પરથી અણુ કે પરમાણુ છૂટા પડે તે ઘટનાને ‘કણક્ષેપણ’ કહે છે. ઋણવીજાગ્ર(cathode)ને ટાર્ગેટ તરીકે લઈ તેના પર ધન આયનનું પ્રતાડન કરતાં ઋણવીજાગ્ર પરથી થતા પરમાણુ-નિષ્કાસન(drift)ને, ઋણવીજાગ્ર કણક્ષેપણ (cathodic sputtering) કહે છે. ટાર્ગેટની નજીક નિમ્નાધાર રાખવામાં આવે તો નિષ્કાસિત થયેલા પરમાણુ નિમ્નાધારની સપાટી પર એક પછી એક ગોઠવાઈ  પાતળી ફિલ્મ રચે છે.

1842માં સૌપ્રથમ ગ્રોવ નામના વૈજ્ઞાનિકે ઋણવીજાગ્ર કણક્ષેપણની શોધ કરી હતી.

કાચની લાંબી નળીમાં છેડાઓ આગળ બે વીજાગ્ર — કૅથોડ અને ઍનોડ — રાખી તેમની વચ્ચે ભારે વિદ્યુત-દબાણ (  10 કિલોવોલ્ટ) આપી શોષક પંપ વડે તેમાંના વાયુનું દબાણ ક્રમશ: ઘટાડતાં જતાં અત્યંત લઘુ દબાણે (≅ મિલી ટોર) નળીમાં વિશિષ્ટ ઘટના ઉદભવે છે. કૅથોડથી શરૂ કરી ક્રમશ: ક્રુક્સ અંધારપટ (crookes dark space), ઋણદીપ્તિ (negative glow), ફૅરેડે અંધકારપટ (Fareday dark space), ધન સ્તંભ (positive column) વગેરે વિસ્તાર જોવા મળે છે. ક્રુક્સના અંધકારપટમાં શક્તિશાળી ઇલેક્ટ્રૉન હોય છે જે ઍનોડ તરફ ગતિ કરી ઋણદીપ્તિ-વિસ્તારમાં નળીમાંના વાયુના અણુઓ સાથે સંઘાત અનુભવી તેમનું આયનીકરણ કરે છે. શક્તિશાળી ધન-આયનો ઋણવીજભારિત કૅથોડ સાથે જોરદાર સંઘાત અનુભવી તેની સપાટી પરથી તેના અણુ કે પરમાણુ છૂટા પાડે છે. આ સમગ્ર ઘટના દીપ્તિ વિદ્યુતભાર (glow discharge) તરીકે ઓળખાય છે અને કૅથોડની સપાટી પરથી ધન-આયનોના પ્રતાડનને કારણે પરમાણુના છૂટા પડવાની ઘટનાને કણક્ષેપણ કહે છે.

પ્રાયોગિક રીતે સૌપ્રથમ નિર્વાત ચેમ્બર(બેલ જાર)ની અંદરનું દબાણ 10-6 ટોર થાય ત્યાં સુધી તેને નિર્વાત કરી તેમાં શુદ્ધ આર્ગન વાયુ (અથવા અન્ય નિષ્ક્રિય વાયુ) એટલા પ્રમાણમાં ભરવામાં આવે છે કે જેથી અંદરનું દબાણ 10થી 12 માઇક્રૉન (1 to 1.2 × 10-² ટોર) જેટલું થાય. ચેમ્બરના એક ભાગમાં ગરમ ફિલામેન્ટમાંથી ઉત્સર્જિત થતા ઇલેક્ટ્રૉનને પ્રવેગિત કરવામાં આવે છે. આ રીતે પ્રાપ્ત થતા શક્તિશાળી ઇલેક્ટ્રૉન આર્ગનના અણુ સાથે સંઘાત પામી તેનું આયનીકરણ કરે છે. આર્ગનના ધન- આયનો ઋણ વિદ્યુતભારિત કૅથોડ વડે આકર્ષાઈ તેની સાથે સંઘાત પામે છે. કૅથોડની સપાટી પરથી વિદ્યુતભારરહિત અણુ કે પરમાણુ છૂટા પડે છે અર્થાત્ સ્પટરિંગ (કણક્ષેપણ) થાય છે. યોગ્ય ભૌમિતિક રચના દ્વારા છૂટા પડેલા પરમાણુ આવરણ (mask) વડે આચ્છાદિત નિમ્નાધારના પૃષ્ઠ પર એક પછી એક ગોઠવાઈ કૅથોડના દ્રવ્યની પાતળી ફિલ્મ રચે છે.

કણક્ષેપણના મુખ્યત્વે બે પ્રકાર છે : (1) ભૌતિક કણક્ષેપણ, (2) રાસાયણિક કણક્ષેપણ.

આર્ગો, ક્રિપ્ટોન જેવા નિષ્ક્રિય વાયુઓમાં ધાતુના બનેલા કૅથોડ, ભૌતિક કણક્ષેપણ દ્વારા ધાતુની પાતળી ફિલ્મ રચે છે. બાકી રહેલા વાયુની, કૅથોડ સાથે રાસાયણિક પ્રક્રિયા થતાં એવો પદાર્થ બને કે જે સામાન્ય તાપમાને તીવ્ર બાષ્પશીલ હોય તો આવા પદાર્થની સપાટી પરથી મળતું કણક્ષેપણ રાસાયણિક કણક્ષેપણ તરીકે ઓળખાય છે. કાર્બન, સિલીનિયમ, આર્સેનિક, ઍન્ટીમની અને બિસ્મથ જેવા પદાર્થોના બનેલા કૅથોડ હાઇડ્રોજન સાથે રાસાયણિક પ્રક્રિયા કરી હાઇડ્રાઇડ્ઝમાં રૂપાન્તર પામે છે અને તેથી કૅથોડની સપાટી પરથી બાષ્પશીલ હાઇડ્રાઇડ્ઝ, રાસાયણિક કણક્ષેપણ કરે છે.

કણક્ષેપણ ઘટના અને તે દ્વારા ફિલ્મનિક્ષેપણ પર ઘણાં પરિબળો અસર કરે છે. પ્રાયોગિક પરિણામો પરથી કેટલાક મુખ્ય ગુણધર્મો નીચે પ્રમાણે તારવી શકાય :

(1) કણક્ષેપણ-દર વાયુના દબાણ તેમ જ કૅથોડ અને ગ્રાહક (receiver) વચ્ચેના અંતરના વ્યસ્ત પ્રમાણમાં હોય છે. સામાન્ય રીતે કૅથોડ-ગ્રાહક વચ્ચેનું અંતર, કૅથોડ અંધકારપટની લંબાઈના 1.8ગણું રાખવામાં આવે છે.

(2) વાયુના પરમાણુભાર સાથે કણક્ષેપણ-દર વધે છે. આર્ગન વાયુમાં કણક્ષેપણ-દર મહત્તમ હોય છે, જ્યારે હાઇડ્રોજન અને હિલિયમમાં તે ઓછો છે. ફિલ્મનિક્ષેપણની ક્રિયા ઝડપી બનાવવા તથા કણક્ષેપણ પામેલા પરમાણુ અને બાકી રહેલા વાયુ વચ્ચે રાસાયણિક પ્રક્રિયા અટકાવવા આર્ગન વાયુના વાતાવરણમાં કણક્ષેપણ કરવું હિતાવહ છે.

(3) કૅથોડમાંથી પરમાણુ મુક્ત થવાનો દર, તેના પર એકમ સમયમાં આપાત થતા ધન-આયનોની સંખ્યા તથા ઊર્જા પર આધાર રાખે છે.

(4) કૅથોડ તથા વાયુનું તાપમાન વધવા સાથે કણક્ષેપણ-દર વધે છે.

(5) લઘુ ઊર્જા (≅ 100 eV) ધરાવતા આયનો માટે કણક્ષેપણ-દર આપાતકોણ સાથે વધે છે.

(6) લઘુ કૅથોડ વોલ્ટ (1kV) અને વાયુના ઊંચા દબાણે (> 1 મિમી. પારાનું દબાણ) વિદ્યુતવિભારિત વાયુમાં કણક્ષેપણ પામેલા પરમાણુનું ચોતરફ પ્રસારણ (diffusion) વધે છે. આથી ઊલટી પરિસ્થિતિમાં કણક્ષેપણ પામેલા પરમાણુ કૅથોડ અને કલેક્ટર વચ્ચે સુરેખ પથ પર ગતિ કરે છે.

(7) કણક્ષેપણ-દર કૅથોડના આકાર પર પણ આધાર રાખે છે. તાર આકારના કૅથોડનો કણક્ષેપણ દર પાતળા પડ (sheet) આકારના કૅથોડના દર કરતાં વધુ હોય છે.

કણક્ષેપણ દ્વારા ફિલ્મનિક્ષેપણ માટે જુદી જુદી અનેક રીતો શોધાઈ છે. મુખ્ય રીતો નીચે પ્રમાણે છે :

(1) દીપ્તિ-વિદ્યુતવિભાર (glow discharge)

(2) બાયસ-કણક્ષેપણ

(3) એ.સી. અસમમિત

(4) ટ્રાયૉડ-કણક્ષેપણ

(5) આર. એફ. કણક્ષેપણ

(6) આયન કિરણ કણક્ષેપણ

(7) પ્રક્રિયક કણક્ષેપણ વગેરે

સરળ અને સૌથી વધુ પ્રચલિત પદ્ધતિ બે વીજાગ્ર વચ્ચે દીપ્તિ વિદ્યુતવિભાર ઉત્પન્ન કરવાની છે. અહીં બે વીજાગ્ર – કૅથોડ અને ઍનોડનો ઉપયોગ થતો હોવાથી તેને ડાયૉડ-પદ્ધતિ તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે. નિમ્નાધારને ઍનોડ પર ટેકવી તેને ઍનોડનો ધન વિદ્યુતવિભવ આપવામાં આવે છે.

જો નિમ્નાધારને લટકતો (floating) રાખી તેને ઋણ-વિદ્યુતવિભવે રાખવામાં આવે તો ફિલ્મના વિકાસ દરમિયાન તેના પર આયનનું એકસરખું પ્રતાડન થાય છે, જે તેની સપાટી પરના વાયુ(જે ફિલ્મમાં અશુદ્ધિ રૂપે દાખલ થઈ શકે)ને દૂર કરે છે. આ પ્રકારની રચનાને બાયસ કણક્ષેપણ કહે છે.

કૅથોડ અને નિમ્નાધાર વચ્ચે અસમમિત પ્રત્યાવર્તી વિદ્યુતવિભવ (asymmetric alternating potential) આપવામાં આવે તો એક અર્ધ સાઇકલ દરમિયાન નિમ્નાધાર પર વધુ દ્રવ્યનિક્ષેપ થાય છે, જ્યારે ઊલટ અર્ધ સાઇકલ દરમિયાન શોષિત વાયુઓ તથા ફિલ્મ પરના પ્રારંભિક ઑક્સાઇડ સ્તરો દૂર થાય છે. એ.સી. કણક્ષેપણ-પદ્ધતિ ગૂંચવણભરેલી અને બાયસ પદ્ધતિ કરતાં ઓછી કાર્યક્ષમ છે.

ઉપર વર્ણવેલ કણક્ષેપણ-પદ્ધતિઓ વાયુના 20થી 100 મિલીટોર દબાણના ગાળામાં ઉપયોગી છે, કારણ કે દબાણ ઘટતાં કણક્ષેપણ માટે જરૂરી આયન-ઘનતા ઝડપથી ઘટે છે. વાયુના અણુઓની ઘટતી અસર, ઝડપાયેલા (trapped) વાયુના અણુઓની ઓછી સંકેન્દ્રીયતા (concentration), નિમ્નાધાર સાથે અથડાતા પરમાણુઓની સરેરાશ ઉચ્ચ ઊર્જા અને નિયંત્રિત દિશામાં ગતિ વગેરે લઘુ દબાણે કણક્ષેપણ માટેનાં આવશ્યક પરિબળો છે. લઘુ દબાણે કણક્ષેપણ વાયુનું આયનીકરણ વધારવાથી, યોગ્ય કણક્ષેપણ-દર મેળવી શકાય છે. પ્રાપ્ત ઇલેક્ટ્રૉનની ક્ષમતા તથા આયનીકરણ-વાયુનો પુરવઠો વધારવાથી વાયુનું આયનીકરણ વધારી શકાય છે.

આયનીકરણક્ષમતા, આયનીકરણ કરતા ઇલેક્ટ્રૉનનો પથ વધારવાથી વધારી શકાય છે. ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં આયનના પથની લંબાઈ વધારે મળે છે, તેથી યોગ્ય રીતે ચુંબકીય ક્ષેત્રનો ઉપયોગ કરીને આયનીકરણ વધારી શકાય છે.

ઉષ્મીય રીતે ફિલામેન્ટમાંથી વધારાના ઇલેક્ટ્રૉન મેળવી કુલ આયનીકરણ વધારી શકાય. આ માટે ત્રીજો વીજાગ્ર દાખલ કરી તેનો યોગ્ય વિદ્યુતવિભવ આપતાં ઇલેક્ટ્રૉનને પ્રવેગિત કરી શકાય છે. આ રચનામાં ત્રીજો વીજાગ્ર આયનીકરણ વિવર્ધક અને નિયામક તરીકે દાખલ કરવામાં આવતો હોવાથી તેને ટ્રાયૉડ-કણક્ષેપણ કહે છે. આ રીતનો ફાયદો એ છે કે વિદ્યુતપ્રવાહ-ઘનતાનું સરળતાથી નિયમન કરી શકાય છે તેમજ ચુંબકીય ક્ષેત્ર જરૂરિયાત પ્રમાણે બદલી શકાય છે.

રેડિયો આવૃત્તિ (rf) કિરણો, અલ્ટ્રા વાયોલેટ (un) કિરણો, x-કિરણો, y-કિરણો વડે પણ વાયુનું આયનીકરણ કરી શકાય છે. યોગ્ય મેગા- હર્ટ્ઝ (MHz) આવૃત્તિ ધરાવતાં કિરણો કૅપેસિટર મારફત સીધા ઍનોડને આપવામાં આવે છે. રેડિયો આવૃત્તિની કણક્ષેપણ પદ્ધતિ ખૂબ કાર્યક્ષમ અને ઉપયોગી છે. અવાહક નિમ્નાધારની પાછળના ભાગમાં વિદ્યુતવિભવ આપતાં, તેની આગળની બાજુએ ડી.સી. બાયસ  ઉત્પન્ન થાય છે. આમ વીજાગ્ર વિના ડી.સી. બાયસ મેળવવાની આ અનુકૂળ પદ્ધતિ છે. વળી, ફિલ્મનિક્ષેપણ કરતાં પહેલાં નિમ્નાધારની સપાટી કણક્ષેપણ વડે સાફ કરી શકાય છે.

અત્યંત નીચા દબાણે આયનોની અછત વરતાય છે. આ સંજોગોમાં ઊંચા દબાણવાળી ચેમ્બરમાં આયનો ઉત્પન્ન કરીને ખાસ રીત વડે તેમને લઘુ દબાણવાળી ચેમ્બરમાં દાખલ કરવામાં આવે છે. આ પ્રકારની રચનાને ‘ડ્યુઓપ્લાઝમાટ્રૉન’ કહે છે.

કાર્બાઇડ, નાઇટ્રાઇડ, સલ્ફાઇડ, ઑક્સાઇડ, હાઇડ્રાઇડ વગેરેની પાતળી ફિલ્મ પ્રક્રિયક કણક્ષેપણ દ્વારા મેળવાય છે. નિષ્ક્રિય કણક્ષેપણ વાયુ તથા વાયુ સ્વરૂપે અલ્પ પ્રમાણમાં પ્રક્રિયકનું મિશ્રણ દાખલ કરવામાં આવે છે. પ્રક્રિયક કણક્ષેપણ માટેની રાસાયણિક પ્રક્રિયા કૅથોડ આગળ, ઉત્સર્જિત ઇલેક્ટ્રૉનની ગતિ દરમિયાન તેમજ ફિલ્મની સપાટી આગળ સંભવી શકે છે.

પાતળી ફિલ્મ મેળવવા માટે રાસાયણિક પદ્ધતિ પણ ખૂબ અગત્યની છે, પરંતુ તેમાં નિર્વાત સ્થિતિ જરૂરી ન હોઈ અત્રે તેની વિગતવાર ચર્ચા અપ્રસ્તુત છે.

નિર્વાત તંત્ર : પાત્રમાંથી શોષક પંપ દ્વારા વાયુ બહાર ખેંચી લેતાં તેમાં નિર્વાત સ્થિતિ, અર્થાત્ શૂન્યાવકાશ સર્જાય છે. પંપ, નિર્વાત પાત્ર અને તેમને જોડતી પ્લમ્બરિંગ વ્યવસ્થા, વાલ્વ, દબાણમાપકો (gauges), વિદ્યુતજોડાણો વગેરેના બનેલા સમગ્ર તંત્રને નિર્વાત તંત્ર કહે છે.

આકૃતિમાં ઉચ્ચ શૂન્યાવકાશ પ્રાપ્ત કરી શકાય તેવા તંત્રની રચનાના મુખ્ય ઘટકો દર્શાવ્યા છે. વાયુપાત્રને બાષ્પપંપ અને યાંત્રિક પંપ સાથે જોડવામાં આવે છે. યાંત્રિક પંપ તરીકે મોટા ભાગે રોટરી પંપ અને બાષ્પપંપ તરીકે ડિફ્યુઝન-પંપનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. સૌપ્રથમ સ્થૂળ શૂન્યાવકાશ મેળવવા માટે ઉચ્ચ નિર્વાત વાલ્વ અને સહાયક વાલ્વ બંધ કરી, ડિફ્યૂઝન-પંપને અલગ રાખવામાં આવે છે. સ્થૂળ વાલ્વ ખુલ્લો રાખતાં રોટરી પંપનું પાત્ર સાથે સીધું જોડાણ થાય છે. પાત્રમાંથી વાયુ રોટરી પંપ મારફત બહાર ફેંકાય છે. પૂરતું સ્થૂળ દબાણ પ્રાપ્ત થાય ત્યારે સ્થૂળ વાલ્વ બંધ કરી ઉચ્ચ નિર્વાત વાલ્વ અને સહાયક વાલ્વ ખોલી નાખવામાં આવે છે, આથી શરૂઆતમાં અલગ રાખેલો ડિફ્યૂઝનપંપ હવે કાર્યરત બને છે અને વાયુનો પ્રવાહ પાત્રમાંથી ડિફ્યૂઝન-પંપ અને તેમાંથી રોટરી પંપમાં થઈ બહાર વાતાવરણમાં ફેંકાય છે. ડિફ્યૂઝન-પંપને કાર્યરત રાખવા ચોક્કસ લઘુતમ દબાણ જરૂરી હોય છે, જે રોટરી પંપ દ્વારા જળવાય છે; તેથી રોટરી પંપને સહાયક પંપ તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે. ડિફ્યૂઝન-પંપમાં નીચેના ભાગમાં બાષ્પશીલ પ્રવાહી હોય છે જે ગરમ કરતાં મળતી બાષ્પ ઉપરના ભાગમાં ધકેલાય છે. આ બાષ્પ નૉઝલ મારફત બહારના ભાગમાં ફેંકાઈ નિર્વાત પાત્રમાંથી આવતા વાયુના અણુઓ વચ્ચે વેગમાન-વિનિમય થાય છે. વાયુના અણુઓ સાથે ભળી જાય છે. બાષ્પ અને વાયુના અણુઓ નીચે તરફ ધકેલાઈ સહાયક વાલ્વ મારફત રોટરી પંપમાં થઈ બહાર ફેંકાય છે, જ્યારે બેરલ અને શીતન વ્યવસ્થા વડે બાષ્પનું ઠારણ કરી મૂળ પ્રવાહીમાં દાખલ કરવામાં આવે છે, જેથી બાષ્પશીલ પ્રવાહીનો જથ્થો લગભગ અચળ જળવાઈ રહે છે અને પાત્રમાં વધુ ને વધુ નિર્વાત સ્થિતિ સર્જાય છે. નિર્વાત પાત્રના મુખ આગળ ‘ટ્રૅપ’ રાખવામાં આવે છે. બાષ્પના કેટલાક અણુ પાત્રમાં ધસી જાય તો ટ્રૅપની સપાટી પર તેમનું શોષણ થાય છે. આ રીતે પાત્રમાં 10^–8 ટોર જેટલો શૂન્યાવકાશ મેળવી શકાય છે. પાત્રમાંનું દબાણ તંત્રમાં યોગ્ય સ્થાને રાખેલાં દબાણમાપકો દ્વારા નોંધી શકાય છે.

ઇચ્છિત પદાર્થની પાતળી ફિલ્મ નિર્વાત પાત્રમાં મેળવવામાં આવે છે, તેથી ફિલ્મ મેળવવાની આવી પ્રક્રિયાને નિર્વાત લેપન કહે છે. નિર્વાત પાત્રમાં ફિલ્મ મેળવવાની પદ્ધતિને અનુરૂપ જરૂરી રચના કરવામાં આવે છે; દા. ત., ઉષ્મીય બાષ્પીભવન પદ્ધતિમાં બાષ્પ ઉદભવસ્થાન, નિમ્નાધાર, કણક્ષેપણ-પદ્ધતિમાં કૅથોડ, ઍનોડ, બાષ્પીભવન-દર કે કણક્ષેપણ-દરનું નિયમન, માસ્ક, ફિલ્મની જાડાઈ માપવા માટે મૉનિટરિંગ વગેરેની ગોઠવણી નિર્વાત પાત્રમાં કરવામાં આવે છે.

ઉપસંહાર : ઘન પાતળી ફિલ્મ મેળવવા માટે અનેક પદ્ધતિઓ શોધાઈ છે, જેમાં ઉષ્મીય બાષ્પીભવન અને કણક્ષેપણ મુખ્ય છે. આ પદ્ધતિઓમાં નિક્ષેપણ-દર તથા ફિલ્મની જાડાઈનું આપમેળે નિયમન કરી શકાય છે. નિક્ષેપણ-દર એક ઍંગ્સ્ટ્રોમ(10^–10મીટર)થી લઈને 10^–6 ઍંગ્સ્ટ્રોમ પ્રતિસેકંડ જાળવી શકાય છે. ફિલ્મના ગુણધર્મ ફિલ્મ મેળવવાની પદ્ધતિ તથા તેની પર અસર કરતાં પરિબળો પર આધાર રાખે છે. પરિબળોમાં નિક્ષેપણ-દર, બાષ્પ પરમાણુઓની ગતિજ ઊર્જા અને તાપમાન, નિમ્નાધાર પર પ્રક્ષેપિત થતા બાષ્પ-પરમાણુઓનો આપાતકોણ, નિમ્નાધારનું તાપમાન, બાષ્પ-પરમાણુના વિદ્યુતભાર નિમ્નાધાર અને બાષ્પ-ઉદભવસ્થાનના દ્રવ્યનો પ્રકાર, ફિલ્મનિર્માણ માટેની નિર્વાત સ્થિતિ, ફિલ્મમાં અશુદ્ધિનો પ્રકાર અને પ્રમાણ વગેરે મુખ્ય છે. પદ્ધતિને અનુરૂપ પરિબળો બદલાય છે. દરેક કિસ્સામાં ફિલ્મના ગુણધર્મો પર તેમની અસર પૂરેપૂરી સ્થાપિત કરી શકાઈ નથી. વૈજ્ઞાનિક સંશોધન અને ઉદ્યોગોમાં પાતળી ફિલ્મના અનેકવિધ ઉપયોગને કારણે જુદી જુદી પદ્ધતિઓ દ્વારા જુદા જુદા પદાર્થોની પાતળી ફિલ્મનું નિર્માણ, તેમની રચના, વિકાસ અને ભૌતિક ગુણધર્મોના અભ્યાસે મહત્વ ધારણ કર્યું છે.

સૂર્યકાન્ત ત્રિવેદી