原子層沉積(ALD)技術(shù)基于自限制性的化學(xué)半反應(yīng),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(guī)的化學(xué)氣相沉積不同,原子層沉積將完整的化學(xué)反應(yīng)分解成多個(gè)半反應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)單原子層級別的薄膜控制精度。
由于基底表面存在類似羥基這樣的活性位點(diǎn),因此前驅(qū)體可以形成單層的飽和化學(xué)吸附,從而實(shí)現(xiàn)自限制性反應(yīng)。而在經(jīng)過單個(gè)周期反應(yīng)后,新的位點(diǎn)暴露出來,可以進(jìn)行下一個(gè)周期的反應(yīng)。
原子層沉積ALD 技術(shù)的反應(yīng)原理示意圖
如圖所示,原子層沉積過程由A、B兩個(gè)半反應(yīng)分四個(gè)基元步驟進(jìn)行:1)前驅(qū)體A脈沖吸附反應(yīng);2)惰氣吹掃多余的反應(yīng)物及副產(chǎn)物;3)前驅(qū)體B脈沖吸附反應(yīng);4)惰氣吹掃多余的反應(yīng)物及副產(chǎn)物,然后依次循環(huán)從而實(shí)現(xiàn)薄膜在襯底表面逐層生長。
通過溶膠-凝膠、PVD、CVD 和 ALD 方法在復(fù)雜表面上沉積薄膜的示意圖
原子層沉積ALD 反應(yīng)的特點(diǎn)決定了:
反應(yīng)具有自限制性,因此每個(gè)周期理論上最多只有一層目標(biāo)涂層形成。
ALD反應(yīng)具有較好的繞鍍性,可以實(shí)現(xiàn)其他方法無法達(dá)到的保形,均勻的涂層。
厚度可控,通過控制反應(yīng)的周期,從而實(shí)現(xiàn)原子層級的厚度控制。
利用原子層沉積方法在粉末表面構(gòu)筑涂層的方式被稱為 —— 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(jī)聚合物等涂層。PALD 是真正可以實(shí)現(xiàn)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)
1.高比表面積帶來的沉積效率問題
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(shù)量級。想要實(shí)現(xiàn)粉末表面的全覆蓋,ALD 反應(yīng)的時(shí)間會(huì)更長,單周期反應(yīng)時(shí)間會(huì)從分鐘到小時(shí)不等。更長的反應(yīng)時(shí)間決定了更大量的前驅(qū)體消耗(單周期多次加藥)以及對反應(yīng)物及產(chǎn)物的在線監(jiān)測。
而平面 ALD 設(shè)備的腔室盡可能設(shè)計(jì)的小,同時(shí)由于半導(dǎo)體 ALD 工藝較快的反應(yīng)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(jiān)測反應(yīng)物和產(chǎn)物的變化,但這并不適用于粉末樣品。粉末 ALD 設(shè)備會(huì)考慮到大批量單次加藥的需求,并利用在線質(zhì)譜實(shí)時(shí)監(jiān)測反應(yīng)過程中前驅(qū)體以及產(chǎn)物的變化,從而判斷涂層生長的狀況。
2.粉末易團(tuán)聚,傳統(tǒng)方法很難實(shí)現(xiàn)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(yán)重的團(tuán)聚,影響粉末分散性,對包覆造成不良影響。此外前驅(qū)體的注入方向如不能穿過粉末床層,則前驅(qū)體與粉末無法充分接觸,反應(yīng)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(yīng)物充分接觸。粉末 原子層沉積ALD 設(shè)備會(huì)采用諸如:流化,旋轉(zhuǎn),振動(dòng)等手段輔助粉末在 ALD 反應(yīng)的過程中持續(xù)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
下一期我們來聊一下粉末原子層沉積有哪些應(yīng)用。