Trong suốt quá trình quay phủ li tâm, lực li tâm và lưu lượng xuyên tâm của dung môi có tác dụng kéo căng, dàn trải và tán mỏng dung dịch, chống lại lực kết dính của dung dịch và tạo thành màng. Sơ đồ các giai đoạn tạo màng bằng quay phủ li tâm được trình bày trên Hình 2.1.
Các giai đoạn của quá trình quay phủ li tâm
(a)Giai đoạn 1 (lắng đọng)
Trong giai đoạn đầu tiên này, chất lỏng được nhỏ bằng ống nhỏ giọt dung dịch hoặc phun sương lên trên bề mặt đế. Thường trong giai đoạn này sẽ tạo ra một lượng dung dịch dư thừa so với lượng cần thiết để tạo ra được chiều dày cuối cùng của màng theo yêu cầu. Có hai phương pháp chung để nhỏ chất lỏng là phân phối tĩnh và động. Phân phối tĩnh là sự lắng đọng đơn giản một “vũng” nhỏ chất lỏng ở tâm hoặc gần tâm của đế. Lượng thể tích có thể thay đổi từ 1 đến 10cc phụ thuộc vào độ nhớt của chất lỏng và kích thước của đế. Độ nhớt cao hoặc đế rộng đòi hỏi “vũng” chất lỏng lớn để chắc chắn có thể bao phủ được bề mặt đế trong suốt giai đoạn quay với tốc độ cao. Sự phân phối động là quá trình nhỏ chất lỏng trong khi đế quay ở tốc độ thấp. Tốc độ quay khoảng 500 vòng/phút thường được sử dụng trong giai đoạn này. Giai đoạn này có lợi cho việc kéo giãn mỏng chất lỏng bên trên đế và có thể dẫn đến sự dư thừa vật
liệu, phần này thường không cần thiết cho việc nhỏ mà là để làm ẩm bề mặt toàn bộ đế.
Hình 2.1- Các giai đoạn của quá trình quay phủ li tâm chế tạo màng mỏng.
(b) Giai đoạn 2 (spin-up)
Giai đoạn thứ hai là giai đoạn đế được gia tốc để đạt được giá trị tốc độ quay tối đa theo yêu cầu. Giai đoạn này thường được mô tả bởi sự kéo giãn, dàn trải và tán mỏng chất lỏng trên bề mặt đế bằng chuyển động quay tròn. Do có độ dày ban đầu của “vũng” chất lỏng, nên những dòng chuyển động xoáy ốc trong thời gian ngắn luôn xuất hiện trong giai đoạn này. Điều này sẽ tạo ra chuyển động xoáy ở đầu dòng chảy do quán tính, trong khi phần đế ở dưới ngày càng chuyển động nhanh hơn. Thậm chí, dòng chảy trở nên đủ mỏng để hoàn toàn quay đồng thời với đế và bất cứ phần nào của màng mà có chiều dày khác thì sẽ bị văng đi. Cuối cùng, đế sẽ đạt được tốc độ quay mong muốn và chất lưu sẽ trở nên đủ mỏng để cho chuyển động kéo theo biến dạng nhớt cân bằng với gia tốc quay (Hình 2.1b)
(c) Giai đoạn 3 (spin-off)
Giai đoạn này là giai đoạn mà đế được quay với tốc độ ổn định và lực nhớt của chất lỏng chi phối sự tán mỏng chiều dày màng. Giai đoạn này được mô tả bởi sự tán mỏng dần dần độ dày của chất lỏng. Với các dung dịch chứa dung môi dễ bay hơi, thì sự tán mỏng chất lỏng nói chung là khá đồng đều, có thể thấy màu sắc của sự giao thoa ánh sáng, màu sắc tăng dần dần khi độ dày của màng giảm. Hiệu ứng bờ thường được quan sát thấy bởi vì mặt ngoài dòng chảy của chất lỏng đồng đều, nhưng cần thiết tạo ra các giọt tại cạnh để văng ra. Do đó, phụ thuộc vào ứng suất bờ mặt, độ nhớt, tốc độ quay…, có thể có giọt nhỏ ở những vị trí khác nhau xung quanh lớp màng mỏng. Xử lý bằng toán học cho thấy nếu như chất lỏng có độ nhớt Niu-tơn (độ nhớt thay đổi tuyến tính theo tốc độ kéo giãn và tán mỏng) và nếu độ dày ban đầu của chất
lỏng là đồng đều, thì độ dày chất lỏng ở bất cứ thời điểm nào sau đó cũng sẽ đồng đều, dẫn đến lớp phủ cuối cùng đồng đều (Hình 2.1c).
(d) Giai đoạn 4 (bay hơi)
Giai đoạn thứ tư là giai đoạn đế được quay với tốc độ không đổi và sự bay hơi của dung môi trở thành quá trình chủ yếu chi phối sự tán mỏng chiều dày của màng trong quá trình phủ. Trong giai đoạn này, chiều dày chất lưu đạt đến mức độ mà với chiều dày đó thì độ nhớt có ảnh hưởng ít hơn dòng chất lưu. Với chiều dày đó, sự bay hơi của các dung môi dễ bay hơi sẽ trở thành quá trình chi phối. Tóm lại, với chiều dày đó, các “chất gel” thực sự đã được hình thành vì các dung môi này đã không còn độ nhớt như của các dung dịch ban đầu. Điều này đã được Meyerhofer trình bày trong báo cáo trong đó ông xác định rằng chiều dày màng phụ thuộc vào tốc độ quay, độ nhớt và có mối quan hệ với tốc độ bay hơi (Hình 2.1d)
Sau khi kết thúc quá trình quay, nhiều ứng dụng đòi hỏi sự xử lý nhiệt hoặc nung đối với lớp màng được trải phủ.