什么是原子層沉積ALD技術(shù)？

原子層沉積（ALD）技術(shù)基于自限制性的化學(xué)半反應，是將被沉積物質(zhì)以單原子膜的形式一層一層的鍍在物體表面的薄膜技術(shù)。與常規的化學(xué)氣相沉積不同，原子層沉積將完整的化學(xué)反應分解成多個(gè)半反應，從而實(shí)現單原子層級別的薄膜控制精度。

由于基底表面存在類(lèi)似羥基這樣的活性位點(diǎn)，因此前驅體可以形成單層的飽和化學(xué)吸附，從而實(shí)現自限制性反應。而在經(jīng)過(guò)單個(gè)周期反應后，新的位點(diǎn)暴露出來(lái)，可以進(jìn)行下一個(gè)周期的反應。

  原子層沉積ALD 技術(shù)的反應原理示意圖

如圖所示，原子層沉積過(guò)程由A、B兩個(gè)半反應分四個(gè)基元步驟進(jìn)行：1）前驅體A脈沖吸附反應；2）惰氣吹掃多余的反應物及副產(chǎn)物；3）前驅體B脈沖吸附反應；4）惰氣吹掃多余的反應物及副產(chǎn)物，然后依次循環(huán)從而實(shí)現薄膜在襯底表面逐層生長(cháng)。

通過(guò)溶膠-凝膠、PVD、CVD 和 ALD 方法在復雜表面上沉積薄膜的示意圖

原子層沉積ALD優(yōu)勢：

原子層沉積ALD 反應的特點(diǎn)決定了：

1. 反應具有自限制性，因此每個(gè)周期理論上最多只有一層目標涂層形成。

2. ALD反應具有較好的繞鍍性，可以實(shí)現其他方法無(wú)法達到的保形，均勻的涂層。

3. 厚度可控，通過(guò)控制反應的周期，從而實(shí)現原子層級的厚度控制。

什么是粉末原子層沉積PALD技術(shù)？

利用原子層沉積方法在粉末表面構筑涂層的方式被稱(chēng)為 —— 顆粒/粉末原子層沉積（PALD）。PALD方法可以制備金屬單質(zhì)，金屬氧化物，氮化物，硫化物，磷酸鹽，多元化合物以及有機聚合物等涂層。PALD 是真正可以實(shí)現原子級/分子層級控制精度的粉末涂層技術(shù)，并保持良好的共形性。

粉末原子層沉積PALD技術(shù)制備的薄膜更均勻(左：溶膠凝膠法；右：ALD)

為什么用 PALD 技術(shù)處理粉末樣品？

1.高比表面積帶來(lái)的沉積效率問(wèn)題

與同質(zhì)量或體積的平面樣品相比，粉末材料的比表面積會(huì )高出幾個(gè)數量級。想要實(shí)現粉末表面的全覆蓋，ALD 反應的時(shí)間會(huì )更長(cháng)，單周期反應時(shí)間會(huì )從分鐘到小時(shí)不等。更長(cháng)的反應時(shí)間決定了更大量的前驅體消耗（單周期多次加藥）以及對反應物及產(chǎn)物的在線(xiàn)監測。

而平面 ALD 設備的腔室盡可能設計的小，同時(shí)由于半導體 ALD 工藝較快的反應周期，一般會(huì )選擇測試鍍層厚度或質(zhì)量的變化，而不會(huì )監測反應物和產(chǎn)物的變化，但這并不適用于粉末樣品。粉末 ALD 設備會(huì )考慮到大批量單次加藥的需求，并利用在線(xiàn)質(zhì)譜實(shí)時(shí)監測反應過(guò)程中前驅體以及產(chǎn)物的變化，從而判斷涂層生長(cháng)的狀況。

2.粉末易團聚，傳統方法很難實(shí)現均勻的涂層包覆

粉末材料顆粒間的范德華力和顆粒表面水分引起的液橋力均會(huì )造成嚴重的團聚，影響粉末分散性，對包覆造成不良影響。此外前驅體的注入方向如不能穿過(guò)粉末床層，則前驅體與粉末無(wú)法充分接觸，反應不充分。因此所有的粉末表面改性方法都需要考慮如何使粉末分散并與反應物充分接觸。粉末 原子層沉積ALD 設備會(huì )采用諸如：流化，旋轉，振動(dòng)等手段輔助粉末在 ALD 反應的過(guò)程中持續保持分散狀態(tài)。

不進(jìn)行粉末分散很難得到均勻的粉末表面涂層

下一期我們來(lái)聊一下粉末原子層沉積有哪些應用。