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一分钟带你了解原子层沉积ALD 以及 PALD 技术

发布时间: 2023-11-28  点击次数: 1303次

什么是原子层沉积ALD技术?

原子层沉积(ALD)技术基于自限制性的化学半反应,是将被沉积物质以单原子膜的形式一层一层的镀在物体表面的薄膜技术。与常规的化学气相沉积不同,原子层沉积将完整的化学反应分解成多个半反应,从而实现单原子层级别的薄膜控制精度。

由于基底表面存在类似羟基这样的活性位点,因此前驱体可以形成单层的饱和化学吸附,从而实现自限制性反应。而在经过单个周期反应后,新的位点暴露出来,可以进行下一个周期的反应。

原子层沉积ALD 技术的反应原理示意图

  原子层沉积ALD 技术的反应原理示意图

如图所示,原子层沉积过程由A、B两个半反应分四个基元步骤进行:1)前驱体A脉冲吸附反应;2)惰气吹扫多余的反应物及副产物;3)前驱体B脉冲吸附反应;4)惰气吹扫多余的反应物及副产物,然后依次循环从而实现薄膜在衬底表面逐层生长。

原子层沉积ALD 技术的反应原理示意图

通过溶胶-凝胶、PVD、CVD 和 ALD 方法在复杂表面上沉积薄膜的示意图

原子层沉积ALD优势:

原子层沉积ALD 反应的特点决定了:

  1. 反应具有自限制性,因此每个周期理论上最多只有一层目标涂层形成。

  2. ALD反应具有较好的绕镀性,可以实现其他方法无法达到的保形,均匀的涂层。

  3. 厚度可控,通过控制反应的周期,从而实现原子层级的厚度控制。

什么是粉末原子层沉积PALD技术?

利用原子层沉积方法在粉末表面构筑涂层的方式被称为 —— 颗粒/粉末原子层沉积(PALD)。PALD法可以制备金属单质,金属氧化物,氮化物,硫化物,磷酸盐,多元化合物以及有机聚合物等涂层。PALD 是真正可以实现原子级/分子层级控制精度的粉末涂层技术,并保持良好的共形性。

粉末原子层沉积PALD技术制备的薄膜更均匀

粉末原子层沉积PALD技术制备的薄膜更均匀(左:溶胶凝胶法;右:ALD)

为什么用 PALD 技术处理粉末样品?

1.高比表面积带来的沉积效率问题

与同质量或体积的平面样品相比,粉末材料的比表面积会高出几个数量级。想要实现粉末表面的全覆盖,ALD 反应的时间会更长,单周期反应时间会从分钟到小时不等。更长的反应时间决定了更大量的前驱体消耗(单周期多次加药)以及对反应物及产物的在线监测。

而平面 ALD 设备的腔室尽可能设计的小,同时由于半导体 ALD 工艺较快的反应周期,一般会选择测试镀层厚度或质量的变化,而不会监测反应物和产物的变化,但这并不适用于粉末样品。粉末 ALD 设备会考虑到大批量单次加药的需求,并利用在线质谱实时监测反应过程中前驱体以及产物的变化,从而判断涂层生长的状况。

2.粉末易团聚,传统方法很难实现均匀的涂层包覆

粉末材料颗粒间的范德华力和颗粒表面水分引起的液桥力均会造成严重的团聚,影响粉末分散性,对包覆造成不良影响。此外前驱体的注入方向如不能穿过粉末床层,则前驱体与粉末无法充分接触,反应不充分。因此所有的粉末表面改性方法都需要考虑如何使粉末分散并与反应物充分接触。粉末 原子层沉积ALD 设备会采用诸如:流化,旋转,振动等手段辅助粉末在 ALD 反应的过程中持续保持分散状态。

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不进行粉末分散很难得到均匀的粉末表面涂层


下一期我们来聊一下粉末原子层沉积有哪些应用。




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