પાતળું સ્તર (પડ) (thin film)

પાતળું સ્તર (પડ) (thin film) : કાચ, સિરામિક, અર્ધવાહક કે અન્ય યોગ્ય પદાર્થના આધાર (substrate) ઉપર નિર્વાત-બાષ્પીભવન (vacuum evaporation), કણક્ષેપન (sputtering) કે અન્ય પદ્ધતિ દ્વારા કોઈ યોગ્ય પદાર્થના અણુઓ કે પરમાણુઓનું સૂક્ષ્મ જાડાઈ ધરાવતું પડ. આ પાતળા સ્તરની જાડાઈ આણ્વિક અથવા પારમાણ્વિક ક્રમની હોય છે અને તે સામાન્ય રીતે ઍંગસ્ટ્રૉમ અથવા નેનોમિટરમાં માપવામાં આવે છે. અહીં 1 અગસ્ટ્રૉમ = 10^-10 મીટર અને 1 નેનોમિટર = 10^-9 મીટર.

ઘન પદાર્થને જ્યારે ઊંચા તાપમાને તપાવવામાં આવે છે ત્યારે તે બાષ્પના રૂપમાં પરિવર્તિત થાય છે. આ બાષ્પની પ્રમાણમાં ઠંડા આધાર ઉપર જમા થવાની ક્રિયાને કારણે પાતળું સ્તર રચાય છે. વિદ્યુત-બલ્બમાં કાર્બનની બાષ્પના કારણે પાતળું આવરણ જમા થયેલ જે સર્વપ્રથમ પ્રસિદ્ધ અમેરિકન વૈજ્ઞાનિક ટૉમસ આલ્વા એડિસને (1847-1931) જોયું હતું. ઐતિહાસિક દૃષ્ટિએ ધાતુના તારમાંથી મોટા મૂલ્યવાળો વીજપ્રવાહ પસાર કરતાં તે તપીને બાષ્પના રૂપમાં ફેરવાઈ જતાં અને તેને આધાર ઉપર જમા કરતાં મળતા ધાતુના પાતળા આવરણને સર્વપ્રથમ બ્રિટિશ વૈજ્ઞાનિક માઇકલ ફેરેડેએ (1791-1867) પ્રાપ્ત કર્યું અને બાષ્પીભવનની આ ક્રિયાને સર્વપ્રથમ નિર્વાત પાત્રમાં પ્રાપ્ત કરવાનું શ્રેય નાહવૉલ્ડ, પોહ્બ અને પ્રિંગશાઇમને સંયુક્ત રીતે મળે છે. ઉષ્મીય બાષ્પીભવન(thermal evaporation)ની આ પદ્ધતિ અતિ સરળ છે અને વ્યાપક રીતે વાપરવામાં આવે છે.

સામાન્ય રીતે બાષ્પીભવન થયા બાદ બાષ્પના પરમાણુઓ આધાર ઉપર જમા થાય ત્યાં સુધીની ગતિ દરમિયાન ઉપસ્થિત વાતાવરણના વાયુના અણુઓ સાથે તેમની અથડામણ (collisions) થાય છે. અંતર d સુધીમાં   જેટલી માત્રામાં બાષ્પના પરમાણુઓ આ સંઘાતના કારણે પોતાના નિશ્ચિત પથમાંથી વિચલિત થઈને આડી-અવળી દિશામાં ગતિ કરે છે. અહીં  એ હવાના અણુઓ માટેનો સરેરાશ મુક્ત પથ (mean free path) છે, જે 25^o સે. તાપમાને 10^-4 ટોર જેટલા દબાણે 45 સેમી. અને 10^-6 ટોર દબાણ માટે 4500 સેમી. જેટલો છે. અહીં ઉપસ્થિત વાયુનું દબાણ ટોરમાં દર્શાવેલ છે, એક ટોર એ એક મિમી. ઊંચાઈના પારાનું દબાણ દર્શાવે છે. જેમ જેમ વાયુનું દબાણ ઘટતું જાય છે તેમ તેમ સરેરાશ મુક્ત પથની કિંમત વધતી જાય છે અને 10^-5 ટોર કરતાં ઓછા દબાણે બાષ્પના ઉદબામસ્થાન અને આધાર વચ્ચેના આશરે 10 સેમી.થી 50 સેમી. જેટલા અંતર માટે બાષ્પના મોટાભાગના પરમાણુઓ સીધી રેખામાં ગતિ કરે છે. આ માટે વાતાવરણના દબાણે બાષ્પીભવન કરવાને બદલે નિર્વાત-બાષ્પીભવનની પ્રક્રિયા વાપરવામાં આવે છે.

નિર્વાત કરેલ પ્રણાલીમાં એકમ ક્ષેત્રફળની કોઈ એક સ્વચ્છ સપાટી ઉપરથી મુક્ત બાષ્પીભવન વડે છૂટા પડતા બાષ્પના પરમાણુઓનો દર અમેરિકાના નોબેલ પારિતોષિકવિજેતા વૈજ્ઞાનિક ઇરવિંગ લૅન્ગમૂર (1881-1957) દ્વારા પ્રસ્થાપિત લૅન્ગમૂરના સૂત્ર વડે જાણી શકાય છે. જો Pe એ 10^-2 ટોર કરતાં ઓછું બાષ્પનું અલ્પ સંતૃપ્ત અવસ્થામાં સમતુલ્ય બાષ્પ-દબાણ (equilibrium vapour pressure) T તાપમાને હોય અને M એ બાષ્પના અણુઓનો અણુભાર હોય તો બાષ્પીભવનનો દર અણુઓ/ સેમી.² સેકંડ જેટલો હોય છે. અહીં એ નોંધવું જરૂરી છે કે આધાર ઉપર બાષ્પનો જમા થવાનો દર ઉદબામસ્થાનના આકાર, તેના આધારથી અંતર અને બાષ્પના સંઘનન-ગુણાંક (condensation coefficient) ઉપર નિર્ભર છે.

એકસરખી માત્રામાં પદાર્થના પરમાણુઓને એક સ્વચ્છ, બિંદુવત્ સ્રોતમાંથી ઉત્સર્જિત કરીને એક સપાટ આધાર ઉપર જમા કરાવવા માટે નુડસનનો કોજ્યાનો નિયમ (cosine law) ઉપયોગી છે. આ નિયમ અનુસાર પરમાણુઓના જમા થવાનો દર cosθ /r² મુજબ બદલાય છે, જ્યાં r એ બિંદુવત્ સ્રોતથી આધારની સપાટીનું ત્રિજ્યાગામી (radial) અંતર છે અને θ એ સપાટી ઉપર કલ્પેલ લંબદિશા અને ત્રિજ્યાગામી સદિશ (radial vector) વચ્ચેનો કોણ છે. જો t_o એ આધાર ઉપર જમા થયેલા પદાર્થોની જાડાઈ સ્રોતની ઊર્ધ્વ દિશામાં h જેટલા અંતરે રાખેલ આધાર માટે હોય અને t એ ઊર્ધ્વદિશામાં દોરેલ લંબથી સમક્ષિતિજ દિશામાં આધાર ઉપર x જેટલા અંતરે જમા થયેલ પદાર્થની જાડાઈ હોય તો, એક જ સંઘનન ગુણાંક માટે t અને t_oનો ગુણોત્તર

લખી શકાય. આ બાબત આકૃતિ 1માં દર્શાવેલ છે. જો આધાર ઉપર જમા થવાની પ્રક્રિયા બિંદુવx સ્રોતને બદલે નાની સપાટી ઉપરથી થતી હોય તોપણ જમા થવાનો દર કોજ્યાના નિયમના સપ્રમાણમાં હોય છે, પરંતુ આધારની સપાટી ઉપર જમા થયેલ પદાર્થની જાડાઈનું વિતરણ નીચે પ્રમાણે મળે છે :

બંને કિસ્સાઓમાં માટે   માટે જાડાઈ લગભગ 10 % જેટલી ઘટે છે.

પાતળા પડની લાક્ષણિકતાઓ ઉપર ઉપસ્થિત રહેલા વાયુઓ(ambient gases)ની અસર રહે છે, જે વાયુના પરમાણુઓ કે અણુઓના અથડામણના દર (impingement rate) ઉપર આધાર રાખે છે. જે વાયુઓના ગતિવાદ(kinetic theory of gases)ની મદદથી સમતુલ્ય માટેની શરતો (equilibrium conditions) વડે નીચે મુજબ સંબંધ પ્રાપ્ત કરી શકાય છે :

 અણુઓ/સેમી.² સેકંડ

જે આગળ લખેલા સૂત્રના જેવું જ છે. અહીં g એ વાયુઓનો સંકેત કરે છે. અચળ વાયુ અને બાષ્પીભવનના તાપમાન માટે ગુણોત્તર

Ng/N_e એ P_g/P_eને સપ્રમાણ છે.

બાષ્પીભવનની પદ્ધતિઓ (evaporation methods) : (1) અવરોધીય રીતે તપાવવા(resistive heating)ની પદ્ધતિ : આ પદ્ધતિમાં ટંગ્સ્ટન, મોલિબ્ડેનમ, નાયોબિયમ કે પછી ટેન્ટેલમ જેવી ધાતુઓના બનેલા ફિલામેન્ટ (અથવા પાતળી પટ્ટી-બોટ) કે જેના ઉપર સિરામિકનું આવરણ ચડાવેલ હોય છે, તેમાંથી વીજપ્રવાહ પસાર કરતાં ફિલામેન્ટ તપે છે અને પરિણામે તેના ઉપર રાખેલ ક્વાટર્ઝ, ગ્રૅફાઇટ કે ઍલ્યુમિનાનું પાત્ર (crucible) તપે છે, અને તેમાં મૂકેલ પદાર્થ ગરમ થઈને બાષ્પના રૂપમાં પરિવર્તિત થાય છે. આ માટે બાષ્પનું દબાણ 10−² ટોરથી 10−¹° ટોર જેટલું આવશ્યકતા મુજબ જરૂરી છે. અહીં આકૃતિ 2માં બહુ-નુડસન સ્રોત (multiple knudsen source) દર્શાવેલ છે. ક્વાટર્ઝની નળીના 1 મિમી. વ્યાસ ધરાવતાં છિદ્રો ટંગ્સ્ટનના સર્પિલ (spiral) ફિલામેન્ટ વડે ગરમ થાય છે અને બાષ્પ ઉત્પન્ન થાય છે.

(2) ઊર્ધ્વપાતન(sublimation)ની પદ્ધતિ : પદાર્થનું બાષ્પ-દબાણ યોગ્ય માત્રામાં હોય તો પદાર્થ પીગળે તે પહેલાં બાષ્પના રૂપમાં પરિવર્તિત થાય છે અને યોગ્ય આધાર ઉપર પાતળા પડ રૂપે જમા થાય છે.

(3) ફ્લૅશ બાષ્પીભવન (flash evaporation) પદ્ધતિ : આંશિક રીતે બાષ્પીભવન પામતાં સંયોજનો (compounds), અથવા મિશ્રધાતુઓ(alloys)ના ઝડપી બાષ્પીભવન માટે ગરમ સપાટી ઉપર સતત તેના સૂક્ષ્મ કણો નાખવાથી યોગ્ય સમયાંતરે તેનું બાષ્પીભવન થાય છે, અથવા તો જુદા જુદા ઘટકોનું યોગ્ય માત્રામાં ભૂકાના સ્વરૂપમાં મિશ્રણ ગરમ સપાટી ઉપર નાખવાથી યોગ્ય પ્રકારનું બાષ્પીભવન થાય છે. આ માટે ધારકપાત્રને ખૂબ ઊંચા તાપમાને તપાવવામાં આવે છે અને આધારને પ્રમાણમાં નીચા તાપમાને રાખવામાં આવે છે. આકૃતિ 3માં આ રચના દર્શાવેલ છે.

(4) આર્ક દ્વારા બાષ્પીભવન (arc evaporation) પદ્ધતિ : વાહક પદાર્થના બે વીજાગ્રો (electrodes) વચ્ચે યોગ્ય માત્રામાં ઉચ્ચ વીજસ્થિતિમાન આપવાથી આર્ક ઉત્પન્ન થાય છે જે ખૂબ ઊંચું તાપમાન ધરાવે છે, તે નાયોબિયમ કે ટેન્ટેલમ જેવા પદાર્થોનું બાષ્પીભવન કરી શકે છે. આ પદ્ધતિ ઇલેક્ટ્રૉન સૂક્ષ્મદર્શકમાં જોવા માટેના નમૂના ઉપર કાર્બનનું પાતળું આવરણ ચડાવવા ઉપયોગી છે. આકૃતિ 4માં આ પદ્ધતિ નિરૂપિત કરેલ છે.

(5) તારના વિસ્ફોટ(exploding wire)ની પદ્ધતિ : આ પદ્ધતિમાં એકાએક ખૂબ મોટી વીજપ્રવાહ-ઘનતાને કારણે વાહક તારમાં પ્રતિરોધ-અવરોધના કારણે ટૂંકા સમયમાં ખૂબ જ ઉષ્મા ઉત્પન્ન થાય છે, જેને પરિણામે તાર બાષ્પના રૂપમાં વિસ્ફોટ પામે છે. આ માટે 1થી 10 કિલોવૉલ્ટના વીજસ્થિતિમાન વડે આશરે 10થી 100 માઇક્રોફેરેડ કિંમત ધરાવતા અનેક સંગ્રાહકોને વીજભારિત કરાય છે. ત્યારબાદ તેને એકાએક વિદ્યુતવિભારિત કરતાં લગભગ 10⁶ એમ્પિયર/સેમી.² જેટલી વીજપ્રવાહ-ઘનતા ઉત્પન્ન થાય છે, જેને કારણે વાહક તારનું અમુક જગ્યાએ બાષ્પીભવન થાય છે. આકૃતિ 5માં આ બાબત નિર્દેશી છે.

(6) લેસર વડે બાષ્પીભવન(laser evaporation)ની પદ્ધતિ : લેસર કિરણોની પ્રબળ તીવ્રતાના કારણે પદાર્થને તપાવી શકાય છે અને તેનું બાષ્પમાં રૂપાંતર કરી શકાય છે. આકૃતિ 6માં દર્શાવ્યા અનુસાર પદાર્થને નિર્વાત-પ્રણાલીમાં રાખીને, તેના ઉપર પ્રણાલીની બહાર રાખેલા લેસર-સ્રોતમાંથી લેસર કિરણોને કેંદ્રિત કરીને પદાર્થને ઉષ્મા આપી શકાય છે. એચ. શ્વાર્ઝ અને એચ. એ. ટુરટેલોટે આ પદ્ધતિ વડે BaTiO₃, SrTiO₃ અને ZnSનાં પાતળાં સ્તરો મેળવ્યાં હતાં.

(7) રેડિયો-આવૃત્તિ વડે તપાવવાની (RF heating) પદ્ધતિ : રેડિયો-આવૃત્તિ (radio frequency) વડે અથવા તો પ્રેરણ (induction) વડે ઉષ્મા પ્રાપ્ત કરવા માટે રેડિયો-આવૃત્તિ ઉત્પન્ન કરતા ગૂંચળાને યોગ્ય રીતે ગોઠવવામાં આવે છે, જેથી જે પદાર્થને બાષ્પમાં પરિવર્તિત કરવાનો હોય તે સીધી રીતે અથવા પાત્ર વડે ઉષ્મા પ્રાપ્ત કરે. આઇ. એમિસે 200 કિલોહટર્ઝની આવૃત્તિ ધરાવતા ક્ષેત્ર વડે TiB₂ના પાત્રનો ઉપયોગ કરીને ઍલ્યુમિનિયમનું પાતળું સ્તર મેળવ્યું હતું.

(8) ઇલેક્ટ્રૉનોની અથડામણ(electron bombardment)ની પદ્ધતિ : સાદી એવી એક સંરચનામાં ટંગ્સ્ટનનો તપાવેલ ફિલામેન્ટ તાપાયનિક ઇલેક્ટ્રૉનોને ઉત્સર્જિત કરવાનો હોય છે. જે પદાર્થને બાષ્પમાં પરિવર્તિત કરવાનો હોય છે તેને ઘન વીજસ્થિતિમાન આપતાં, આ ઇલેક્ટ્રૉનો તે દિશામાં પ્રવેગિત થઈને પદાર્થની સપાટી ઉપર અથડાય છે અને તે ઝડપથી શક્તિ ગુમાવે છે, જેને કારણે પદાર્થની સપાટી ઉષ્મા પ્રાપ્ત કરે છે. વધારે ઉષ્માને કારણે પદાર્થ પીગળે છે અને બાષ્પમાં પરિવર્તિત થાય છે.

કણક્ષેપનની પ્રક્રિયાઓ (sputtering processes) : પાતળું સ્તર મેળવવા માટે આ એક મહત્વની પ્રક્રિયા છે. પ્રવેગિત કરેલા ઉચ્ચ શક્તિ ધરાવતા કણોની પદાર્થ-લક્ષ્ય (target) ઉપરની અથડામણના કારણે તેની સપાટી ઉપરથી પરમાણુઓની બહાર ફેંકાવાની ઘટનાને કણક્ષેપન કહે છે. જો પરમાણુઓના બહાર ફેંકાવાની ઘટના ધનઆયનોની અથડામણના કારણે થતી હોય તો તે કૅથોડિક કણક્ષેપન તરીકે ઓળખાય છે. આ બહાર ફેંકાયેલા (ejected) પરમાણુઓ કોઈ યોગ્ય આધાર ઉપર જમા થઈને પાતળું સ્તર રચે છે. ડબ્લ્યૂ. આર. ગ્રોવે 1852માં સર્વપ્રથમ વખત પ્રયોગો દરમિયાન આ ઘટના અનુભવી હતી અને ત્યારબાદ તેનો ઉપયોગ પાતળું સ્તર મેળવવામાં થવા લાગ્યો.

પ્રત્યેક આપાત થતા આયનદીઠ બહાર ફેંકાતા પરમાણુઓની સરેરાશ સંખ્યાને કણક્ષેપનપ્રાપ્તિ (sputtering yield) કહે છે; જેનો આધાર આપાત થતા આયનની શક્તિ ઉપર અને લક્ષ્યના પરમાણુભારની સાપેક્ષ આયનના પરમાણુભાર ઉપર છે. સામાન્ય રીતે મોટાભાગની ધાતુઓ માટે કણક્ષેપનની સીમાંત (threshold) કિંમત 5 eVથી 25 eV (ઇલેક્ટ્રૉન વોલ્ટ) વચ્ચે હોય છે. કણક્ષેપનની પ્રાપ્તિ સીમાંત કિંમત કરતાં વધારે કિંમતો માટે ઝડપથી વધે છે. અલ્પ વિસ્તારમાં તે રેખીય સપ્રમાણતા જાળવે છે અને ત્યારબાદ સંતૃપ્ત (saturation) અવસ્થા પ્રાપ્ત કરે છે. મોટી શક્તિની કિંમતો માટે પ્રાપ્તિ ઘટે છે, કારણ કે પ્રવેગિત કણો પદાર્થમાં ઊંડે સુધી જાય છે અને તેમની શક્તિનો વ્યય પદાર્થની સપાટીની નીચે થાય છે, જેથી ત્યાંથી છૂટા પડેલા બધા પરમાણુઓ સપાટી સુધી આવીને મુક્ત થઈ શકતા નથી. આકૃતિ 7માં આ વક્રો દર્શાવેલ છે.

લક્ષ્યના પદાર્થના પરમાણુ-ક્રમાંક સાથે કણક્ષેપન-પ્રાપ્તિનો ફેરફાર આવર્તીય છે. આ પ્રકારનું વર્તન જુદાં જુદાં તત્વોના સમૂહ અને તેના આવર્તીય કોષ્ટકના સ્થાનના કારણે છે. એકલ સ્ફટિકમાં (single crystal) આયનની કિરણાવલી માટે જેમ જેમ સ્ફટિકમાં પારદર્શકતા (transparency) વધે છે તેમ તેમ કણક્ષેપન-પ્રાપ્તિ ઘટતી જાય છે. સ્ફટિકમાં જે દિશામાં પરમાણુઓ વધારે નજીક નજીક ગોઠવાયેલા હોય (close packing) ત્યાં આગળ લક્ષ્યમાંથી વધારે પરમાણુઓ કણક્ષેપન વખતે છૂટા પડે છે. કણક્ષેપન દરમિયાન છૂટા પડેલા પરમાણુઓ જુદી-જુદી શક્તિની કિંમત ધરાવતા હોય છે અને તેનું વિતરણ મેક્સવેલ વક્ર જેવું હોય છે. આપાત થતા આયનની શક્તિ વધારતાં ટોચની કિંમત વધે છે અને સ્થાન પણ બદલાય છે જે આકૃતિ 8માં દર્શાવેલ છે. સામાન્ય રીતે સપાટી ઉપરથી કણક્ષેપનના લીધે છૂટા પડેલા કણો પરમાણુઓ અથવા પરમાણુઓનાં ઝૂમખાં (clusters) હોય છે.

કણક્ષેપન માટે મુખ્યત્વે બે પદ્ધતિઓ વપરાય છે : (1) ઉદ્દીપ્તિ- વિસર્જન (glow discharge) કણક્ષેપન અને (2) આયન કિરણાવલી (ion beam) કણક્ષેપન.

(1) ઉદ્દીપ્તિ-વિસર્જન કણક્ષેપન : સામાન્ય રીતે 10થી 100 મિલિટોરના દબાણથી નળીમાં નિષ્ક્રિય વાયુ ભર્યા બાદ તેમાં આશરે 5 સેમી.ના અંતરે રાખેલ બે વીજાગ્રો ઉપર 1થી 6 કિલોવોલ્ટ જેટલો વોલ્ટેજ આપવાથી ઉદ્દીપ્તિ-વિસર્જન કણક્ષેપન પ્રાપ્ત કરી શકાય છે.

આકૃતિ-9માં દર્શાવ્યા મુજબ કેટલાય ઉદ્દીપ્તિમાન વિસ્તારો અને અંધકાર(dark)વાળા વિસ્તારો જોવા મળે છે. ઉદ્દીપ્તિ-વિસર્જન પ્રક્રિયા માટે કૅથોડનો અંધકાર-વિસ્તાર અગત્યનો છે, જે ધન આયનો ધરાવે છે. ઋણ ઉદ્દીપ્તિમાન વિસ્તાર પ્લાઝમા ધરાવતો વિસ્તાર છે, જેમાં ધન આયનો અને ઇલેક્ટ્રૉનો બંને હોય છે. બાહ્ય રીતે આપેલ વોલ્ટેજના મુખ્ય ભાગનો વિભવ કૅથોડ અંધકાર-વિસ્તારમાં થાય છે. વિભંગ (breakdown) સમયે આયનો અને ઇલેક્ટ્રૉનો ઉત્પન્ન થાય છે, જે આ વિસ્તારમાં પ્રવેગિત થાય છે. શક્તિશાળી ઇલેક્ટ્રૉનો વાયુના પરમાણુઓ સાથે સંઘાત પામીને વધારે આયનો ઋણ ઉદ્દીપ્તિમાં ઉત્પન્ન કરે છે તેમજ શક્તિશાળી આયનો કૅથોડની સપાટી ઉપર અથડાઈને કણક્ષેપક ઉત્પન્ન કરે છે અને સાથે-સાથે દ્વિતીયક (secondary) ઇલેક્ટ્રૉનો ઉત્પન્ન કરે છે, જે ઍનોડ તરફ ગતિ કરે છે. દ્વિતીયક ઇલેક્ટ્રૉનો પરમાણુઓ સાથે ફરીથી સંઘાત કરીને ઇલેક્ટ્રૉનો અને આયનો ઉત્પન્ન કરે છે. અંધકાર-વિસ્તારની સીમા પાસે આ ઘટના બન્યા બાદ ઇલેક્ટ્રૉનો જેવા લગભગ વીજક્ષેત્રહીન વિસ્તારમાં આવે છે. ત્યારે સંઘાત વડે વધારે આયનીકરણ કરીને ઋણ ઉદ્દીપ્તિ ઉત્પન્ન કરે છે. અહીં ઇલેક્ટ્રૉનોએ પોતાની મોટાભાગની શક્તિ ગુમાવી હોવાથી ઓછા વેગથી ગતિ કરીને ફેરેડેનો અંધકારવિસ્તાર રચે છે અને પછી ઍનોડ તરફ પ્રવેગિત થઈને ધનસ્તંભ રચે છે. મોટાભાગના કણક્ષેપન-ઉપકરણોમાં ઍનોડને ઋણ ઉદ્દીપ્તિ વિસ્તારમાં ગોઠવવામાં આવે છે, જેથી અન્ય વિસ્તારો જોવા મળતા નથી.

ઉદ્દીપ્તિ-વિસર્જનમાં બે વીજાગ્રો હોવાથી બનતી સર્વસામાન્ય રચના નિર્વાત-નલિકાના ડાયોડ જેવી હોય છે, જેથી તે ડાયોડ કણક્ષેપન કહેવાય છે. જે આધાર ઉપર પાતળું સ્તર રચવું હોય તેને ઍનોડ ઉપર ઍનોડના વીજસ્થિતિમાને રાખવામાં આવે છે. કૅથોડને ઉચ્ચ વીજદાબનું ઋણ સ્થિતિમાન આપવામાં આવે છે અને ધન વીજાગ્રને ભૂયોજિત (ground) કરાય છે. કૅથોડના અન્ય ભાગમાંથી અવાંછિત ઉદ્દીપ્તિ-વિસર્જન દૂર કરવા એક પ્રકારની ઢાલ (shield) વાપરવામાં આવે છે. શરૂઆતમાં 10−⁶ ટોરના ક્રમનો શૂન્યાવકાશ (નિર્વાત) પ્રાપ્ત કરીને ઓછા દબાણે (10^-1થી 10^-2 ટોર) આર્ગન વાયુ કણક્ષેપન માટે ભરવામાં આવે છે. ઉચ્ચ વોલ્ટેજના કારણે ઉદ્દીપ્તિ-વિસર્જન વડે આર્ગન વાયુના આયનો ઉત્પન્ન થાય છે, જે કૅથોડ તરફ પ્રવેગિત થઈને કૅથોડની સપાટી ઉપર કણક્ષેપન કરે છે અને છૂટા પડેલા પરમાણુઓ ઍનોડ પાસેના આધાર ઉપર જમા થાય છે. લક્ષ્ય તથા આધારને સતત વહેતા પાણીના પ્રવાહ વડે ઠંડા રાખવામાં આવે છે. રાસાયણિક રીતે પ્રક્રિયા કરે તેવા ઑક્સિજન, નાઇટ્રોજન, એસિટિલીન વગેરે અનુક્રમે ઑક્સાઇડ, નાઇટ્રાઇડ, કાર્બાઇડ વગેરેના પાતળા સ્તરો આપે છે. કણક્ષેપનની પ્રક્રિયા આકૃતિ 10 ઉપરથી સ્પષ્ટ થાય છે. અન્ય કણક્ષેપનમાં ટ્રાયોડ કણક્ષેપન, રેડિયો-આવૃત્તિ વડે કણક્ષેપન વગેરે છે.

(2) આયન-કિરણાવલી કણક્ષેપન : આયન-કિરણાવલી વડે કણક્ષેપન મેળવવા માટે 10²થી 10³ ઇલેક્ટ્રૉન વોલ્ટના ક્રમ જેટલી શક્તિ ધરાવતા આયનોની કિરણાવલીનો લક્ષ્યના પદાર્થ ઉપર આપાત કરાય છે અને કણક્ષેપન વડે છૂટા પડેલા પરમાણુઓ નજીક રાખેલ આધાર ઉપર જમા થાય છે. આયનોની કિરણાવલીના સ્રોતને આધાર તેમજ લક્ષ્યથી દૂર અલગ પાડેલ છે. એટલે તેથી કણક્ષેપન 10^-6 ટોર જેટલા દબાણે કરી શકાય છે અને પાતળું સ્તર રચવાનાં જુદાં જુદાં પ્રાચલો (parameters) ઉપર વધારે અંકુશ ધરાવી શકાય છે. કે. એલ. ચોપરા તથા એમ. આર. રેનડલેટે 1967માં ડ્યુઓપ્લાઝમાટ્રોન આયન સ્રોત પાતળા આવરણ પ્રાપ્ત કરવા વિકસાવ્યો જે આકૃતિ 11માં દર્શાવેલ છે. અહીં 50 ટોર દબાણ ધરાવતી કક્ષિકા(chamber)માં કૅથોડ અને ઍનોડ વચ્ચે 10^-2ના ક્રમના વૉલ્ટેજ આપવાથી આર્ક-વિભંગ વડે પ્લાઝમા ઉત્પન્ન કરાય છે. નિર્વાત કરેલ કક્ષિકામાં પ્લાઝમાને સૂક્ષ્મ રંધ્રમાં વીજક્ષેત્ર અને ચુંબકીય ક્ષેત્ર વડે મર્યાદિત કરીને આયનોને તેમાંથી બહાર લાવવામાં આવે છે. ઍનોડ તરફ ઇલેક્ટ્રૉનો પ્રવેગિત થતાં અથડામણથી તેમાં રહેલા વાયુના પરમાણુઓ આયનમાં રૂપાંતરિત થાય છે. આ આયનોની કિરણાવલી 10^-6 ટોરના ક્રમમાં રાખેલ નિર્વાત કક્ષિકામાં વહેતા પાણીથી સતત ઠંડા રાખેલ અને કિરણાવલીને 45^oના ખૂણે ગોઠવેલ એવા કૅથોડ ઉપર ટકરાય છે. પરિણામે કણક્ષેપન વડે છૂટા પડતા પરમાણુઓ આધાર ઉપર જમા થાય છે.

કણક્ષેપન વડે સપાટી ઉપરથી પસંદ કરેલ જગ્યાએ પદાર્થને દૂર કરીને સપાટી કોતરી (etch) શકાય છે, જે કણક્ષેપન-નિરેખણ (etching) કહેવાય છે. અહીં લક્ષ્યના કોઈ એક વિભાગમાંથી પદાર્થને દૂર કરવાનો ઉદ્દેશ છે. અહીં વાયુનું દબાણ ઓછું રાખવામાં આવે છે, જેથી કણક્ષેપિત પદાર્થ ફરીથી લક્ષ્ય ઉપર આવે નહિ, અહીં નિરેખણ વડે પદાર્થ(લક્ષ્ય)ને એકસમાન રીતે પાતળો કરી શકાય છે તેમજ તેના ઉપર યોગ્ય ભાત (pattern) કોતરી શકાય છે. આ પદ્ધતિનો ઉપયોગ અર્ધવાહક પદાર્થોને લગતાં ઉપકરણો બનાવવામાં વેફરને પૉલિશ કરવા, તેના ઉપર ભાત કોતરવા, તેમાં યોગ્ય છિદ્રો પાડવામાં થાય છે. આ પદ્ધતિ પ્લાઝમા આસિસ્ટેડ એચિંગ તરીકે પણ જાણીતી છે, જે સંકલિત પરિપથ (integrated circuit) બનાવવા માટે ઉપયોગી છે.

એપિટૅક્સિયલ પાતળા સ્તરો : કોઈ પ્રકારના આધારને બદલે જે પદાર્થનું પાતળું સ્તર મેળવવાનું છે તે પદાર્થના જેવી જ સ્ફટિકીય સંરચના (crystal structure) ધરાવતા એકલ સ્ફટિક ઉપર કોઈ યોગ્ય પદ્ધતિ વડે પાતળું  સ્તર મેળવી શકાય તો તેને એપિટૅક્સિયલ પાતળું સ્તર કહે છે. આ પદ્ધતિનો ઉપયોગ અર્ધવાહક પદાર્થોનાં પાતળાં સ્તરો મેળવવામાં વધારે થાય છે.

(1) રાસાયણિક રીતે બાષ્પના જમાવથી મળતું પાતળું સ્તર (chemical vapour deposition technique, C.V.D.) : બે વાયુઓની રાસાયણિક પ્રક્રિયાની નીપજ ઘન પદાર્થ હોય છે, જે યોગ્ય તાપમાને આધાર ઉપર જમા થાય છે. સિલિકોન એપિટૅક્સિયલ પાતળાં સ્તરો મેળવવા માટે સિલિકોન ટેટ્રાક્લોરાઇડનું હાઇડ્રોજન વડે રિડકશન કરાય છે. આ પ્રક્રિયા ઊંચા તાપમાને થાય છે. એટલે ફક્ત આધાર સિવાય અન્ય ભાગોને પ્રમાણમાં ઠંડા રાખવામાં આવે છે. આ માટે નીચે પ્રમાણે રાસાયણિક પ્રક્રિયા થાય છે.

SiCl4 + 2H2 → Si↓  + 4HCl

આ પદ્ધતિ વડે GaAs ઉપરાંત આવર્ત કોષ્ટકના III-V જૂથના પદાર્થોનાં પાતળાં સ્તરો મેળવી શકાય છે.

(2) પ્રવાહી વડે એપિટૅક્સિયલ પાતળું સ્તર (liquid phase epitaxy) : પ્રવાહી દ્રાવણમાંથી ચોક્કસ તાપમાને ચોક્કસ નિયંત્રણો વચ્ચે આધાર ઉપર પાતળું પડ રચવાની પદ્ધતિ છે. ભઠ્ઠીમાં ઊંચા તાપમાને પ્લૅટિનમ કે યોગ્ય અન્ય પાત્રમાં પિગાળેલ પદાર્થ રાખવામાં આવે છે. પછી આધારને પાતળું સ્તર જમા થાય તેટલા તાપમાને તપાવીને પ્રવાહીમાં ડુબાડવામાં આવે છે. આધારને પરિભ્રમણ આપતા રહેવાથી એકસમાન જાડાઈનું પાતળું સ્તર બને છે. ત્યારબાદ આધારને પ્રવાહીની બહાર લાવવામાં આવે છે. માણેક (garnets) તથા અર્ધવાહક પદાર્થોનાં પાતળાં સ્તરો આ રીતે મેળવી શકાય છે.

(3) આણ્વિક કિરણાવલિ વડે એપિટૅક્સિયલ સ્તર (molecular beam epitaxy : MBE) : આ પદ્ધતિમાં જે પદાર્થને આધાર ઉપર જમા કરવાનો હોય છે તેને ઉચ્ચ નિર્વાત કરેલ વાતાવરણમાં (ultra high vacuum) જુદી જુદી કિરણાવલિઓમાં આપાત (impinge) કરવામાં આવે છે. મૂળભૂત રીતે MBE એ 10−⁹ ટોરથી નીચા વાતાવરણના દબાણે કરવામાં આવતી બાષ્પીભવનની પ્રક્રિયા છે. બી. એ. જોયસ અને સાથીઓએ 1966માં આ વિકસાવી હતી.

આ પદ્ધતિ સ્વતંત્ર રીતે નિર્વાત કરેલ ત્રણ કક્ષિકાઓ ધરાવે છે. નુડસનના સ્રોતમાંથી કિરણાવલી ઉત્પન્ન થાય છે. આ સ્રોત નિ:સરણ (effusion) પ્રકારનો છે, જેમાં નીચા દબાણે અણુઓ ગરમ કરેલા પદાર્થમાંથી ઉત્સર્જિત થઈને સૂક્ષ્મ રંધ્ર દ્વારા બહાર નીકળે છે. આ કિરણાવલિનું નિયમન દ્રવ્યમાન-સ્પેક્ટ્રોમીટર વડે કરવામાં આવે છે અને તેની દિશા સંધાનક સમાંતરિત્ર (collimated) કરીને અવરોધીય રીતે તપાવેલ આધાર ઉપર લક્ષ્ય-કક્ષિકામાં આપાત કરવામાં આવે છે. આ કક્ષિકાનું દબાણ 10^-10 ટોરના ક્રમનું હોય છે. અહીં લક્ષ્ય ઉપર પાતળું સ્તર વૃદ્ધિ પામે છે. આકૃતિ 12માં આ રચના દર્શાવેલ છે. આધુનિક MBE પ્રણાલીમાં (1) ઉચ્ચ નિર્વાત પ્રણાલી, (2) આણ્વિક સ્રોત અને તેના શટર-દ્વાર સાથેની રચના, (3) આધારને પકડવાની રચના, (4) ઉષ્મા સામે રક્ષણ આપતી ઢાલ અને (5) દ્રવ્યમાન-સ્પેક્ટ્રોમીટર (mass spectrometer) હોય છે.

પાતળા સ્તરની જાડાઈ માપવાની રીતો : પાતળાં સ્તરોની જાડાઈ માપવાની અનેક રીતો છે. ધાતુઓમાં કે અર્ધવાહક પદાર્થનાં પાતળાં સ્તરોની જાડાઈ અવરોધ જાણીને માપી શકાય છે. આ માટેની એક પદ્ધતિમાં વ્હીસ્ટન બ્રિજનો ઉપયોગ કરાય છે. પરાવૈદ્યુત (dielectric) પ્રકારનાં પદાર્થનાં પાતળા સ્તરોની જાડાઈ સંગ્રાહક પદ્ધતિ વડે સંગ્રાહક બ્રિજ વડે મપાય છે.

સૂક્ષ્મ-તુલા(micro-balance)ની મદદથી આધાર ઉપર જમા થતી બાષ્પનું વેગમાન અથવા વજન નોંધી શકાય છે. તે માટે અનેક પ્રકારની તુલાઓ છે. યાંત્રિક સોય(mechanical stylus)ની મદદથી પાતળા સ્તર ઉપરની તેની ઊર્ધ્વ ગતિમાં થતા ફેરફારને વીજાણુ રીતે વિવર્ધિત (amplify) કરીને નોંધી શકાય છે. આ માટે હીરાની સોય વાપરવામાં આવે છે.

પ્રકાશનાં કિરણો, એક્સ-કિરણો, ગામા-કિરણો વગેરેના પાતળા સ્તરમાં થતા શોષણનો આધાર જાડાઈ ઉપર છે. યોગ્ય પ્રકાશીય રીત વડે તે જાણી શકાય છે. પારદર્શક આધાર ઉપર અન્ય પારદર્શક પાતળું સ્તર મેળવવાથી અથવા અનેક સ્તરો ગોઠવવાથી મળતાં સ્તરોની જાડાઈ પ્રકાશના કિરણની પારગમ્યતા અને પરાવર્તકતા માપીને જાણી શકાય છે. બે પરાવર્તન કરતી સપાટીઓને નજીક નજીક લાવવાથી તેઓ પ્રકાશનું વ્યતીકરણ (interference) કરે છે અને શલાકાઓ (fringes) મળે છે તેની મદદથી પણ જાડાઈ જાણી શકાય છે.

પાતળાં સ્તરોના ઉપયોગો : પાતળા સ્તરની વીજલાક્ષણિકતાઓ વિજ્ઞાન-તકનીકી તેમજ ઔદ્યોગિક ક્ષેત્રોમાં ખૂબ ઉપયોગી સાબિત થયેલ છે. વીજાણુ (elecrtonic) ઘટકોને સૂક્ષ્મ બનાવવા આ પદ્ધતિ વપરાય છે. 10⁴ જેટલા અવરોધો એક ચોરસ સેન્ટિમિટરમાં આસાનીથી પાતળા સ્તર ઉપર મેળવી શકાય છે. અસ્ફટિકીય પ્રકારના ટંગ્સ્ટન તથા મોલિબ્ડેનમનાં પાતળાં સ્તરો અયન-કિરણાવલિ કણક્ષેપન વડે મેળવતાં તેની અવરોધકતા 100 માઇક્રો ઓહમ સેમી. જેટલી પ્રાપ્ત થાય છે. ધાતુ-પરાવૈદ્યુતના મિશ્રણથી મળતાં પાતળાં સ્તરોને કાચ-ધાતુ (cermet) કહે છે, જે R.F. કણક્ષેપન કે ફ્લૅશ બાષ્પીભવન વડે મેળવી શકાય છે. સોના, ક્રોમિયમ અને SiO વડે મળતું સ્તર 10³થી 10⁵ માઇક્રો ઓહમ સેમી. જેટલી અવરોધકતા પ્રદર્શિત કરે છે. ધાતુનું પાતળું સ્તર 10 ઓહમ સેમી.ની અવરોધકતા ધરાવે છે, જે વીજજોડાણો માટે ઉપયોગી છે.

એપિટૅક્સિયલ પદ્ધતિથી યોગ્ય રીતે પાતળાં સ્તરોને એકલ-સ્ફટિકીય આધાર ઉપર જમા કરવાથી સંકલિત પરિપથ બનાવાય છે. પાતળાં સ્તરોની યોગ્ય પદ્ધતિ વડે ફિલ્ડ ઇફેક્ટ ટ્રાન્ઝિસ્ટર તેમજ ક્ષેત્ર અસર (field effect) ડાયોડ અને શોટ્કી બેરિયર ડાયોડ પ્રાપ્ત કરી શકાય છે.

પ્રકાશ-ચાલકતા (photo-conductivity) ધરાવતા CdS, CdSe, SbS, PbO વગેરેનાં બનેલાં પાતળાં સ્તરો દૂરદર્શન-કૅમેરા, ઇલેક્ટ્રૉસ્ટેટિક, કૉપિંગ મશીન વગેરેમાં ઉપયોગી છે. પ્રકાશ-વોલ્ટીય (photo-voltaic) અને પ્રકાશ-ઉષ્મીય (photo-thermal) સિદ્ધાંતો ઉપર આધારિત પાતળાં સ્તરોના સોલાર સેલ પ્રચલિત છે. પાતળાં સ્તરો મેળવવાની રીત વડે રેલે મોડ પૃષ્ઠ-ધ્વનિક (surface acoustic) વેવ ઉપકરણો મેળવી શકાય છે, જે વ્યાવસાયિક, ઘરગથ્થુ, તેમજ અનેક વીજાણુ ઉપકરણોમાં દૂરસંચાર પદ્ધતિમાં પ્રકાશ-ધ્વનિક (opto-acoustic) ઉપકરણોમાં ઉપયોગી છે.

ઇજનેરી દૃષ્ટિએ જુદા જુદા પદાર્થોનાં પાતળાં સ્તરો પદાર્થને રસાયણ વડે થતા ક્ષારણ (corrosion) તેમજ ઉષ્મા સામે તથા ઘસારા સામે રક્ષણ આપવા તેમજ તેને સુંવાળો બનાવવામાં ઉપયોગી છે.

પાતળા સ્તરની પ્રકાશીય લાક્ષણિકતાઓ જેવી કે પરાવર્તન, પારગમન, શોષણ, વર્ણપટીય વિભાજન અનેક ઉપકરણો માટે ઉપયોગી છે. પ્રકાશીય સાધનો, ગૉગલ્સ તથા બારીના કાચ બનાવવા માટે અનેક પ્રકારના પદાર્થોનાં પાતળાં સ્તરો ઉપયોગી છે. વીજપ્રકાશીય (electro-optic) પ્રકારનાં પાતળાં સ્તરોને યોગ્ય વીજ-સ્થિતિમાન આપતાં પોતાનો રંગ બદલે છે.

આધુનિક વિજ્ઞાનમાં એપિટૅક્સિયલ વૃદ્ધિ, અર્ધસ્થાયી અવસ્થા (meta stable) ધરાવતી સંરચનાઓની પ્રાપ્તિ, ધાતુઓમાં ફોનોન અભિગમન (phonon transport), સામાન્ય વાહકતા તેમજ અતિવાહકતા (superconducting) ધાતુ-અવાહકના જોડાણ(junction)માં જોવા મળતી ક્વૉન્ટમ-યંત્રશાસ્ત્રની ટનેલિંગ ઘટના, પ્લાઝમા અનુનાદ-શોષણ (resonance absorption) વગેરે ઘટનાઓ વડે પાતળાં સ્તરોને સમજવાના અનેક મહત્વના પ્રયોગો થયા છે. એક ક્રાંતિકારી શોધ થઈ છે. કાર્બનના અણુની જાડાઈ ધરાવતું સ્તર શોધાયેલ છે. તેને ‘ગ્રેફાજન’ કહે છે. તેના અનેક ઉપયોગો છે.

મિહિર જોશી