PALD 技術(shù) - 粉末保形包覆

與傳統(tǒng)的表面改性不同，PALD 是真正可以實(shí)現(xiàn)原子級(jí)/分子層級(jí)控制精度的粉末涂層技術(shù)，并保持良好的共形性。原子層沉積技術(shù)是一種基于自限制性的化學(xué)半反應(yīng)將被沉積物質(zhì)以單原子膜的形式一層一層的鍍?cè)谖矬w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(jí)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(guò)單個(gè)周期反應(yīng)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(yīng)。而 ALD 反應(yīng)的特點(diǎn)決定了：

1、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

2、ALD 反應(yīng)具有較好的繞鍍性，可以實(shí)現(xiàn)其他方法無(wú)法達(dá)到的保形，均勻的涂層

3、厚度可控，通過(guò)控制反應(yīng)的周期，從而實(shí)現(xiàn)原子層級(jí)的厚度控制

早期，PALD 應(yīng)用是保護(hù) LED 熒光發(fā)光材料免遭水汽侵蝕從而失活，使用 ALD 涂層材料所可有效節(jié)約加工能源，只需要其他方法的 75% 到 80%，有顯著的成本效益。另一個(gè)應(yīng)用主要是針對(duì)鋰離子電池的包覆改性，從而提升電池的循環(huán)使用壽命以及安全性。

最早的粉末 ALD 研究都是小批量的，部分研究者會(huì)采用半導(dǎo)體晶圓 ALD 設(shè)備處理少量的粉末。但受限于粉末的分散技術(shù)，只能停留在實(shí)驗(yàn)室階段。在粉末表面進(jìn)行的 ALD 反應(yīng)比平面樣品更為復(fù)雜，由于粉末樣品巨大的表面積，使相同體積下的粉末材料需要更多的前驅(qū)體進(jìn)行反應(yīng)。如果把電子元件看作一張課桌，那么同樣體積的粉末的表面積幾乎可以等同于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)。

同時(shí)粉末易于團(tuán)聚的特點(diǎn)也導(dǎo)致平面 ALD 方式前驅(qū)體擴(kuò)散效率低下。因此對(duì)粉末進(jìn)行 ALD 需要實(shí)現(xiàn)：

1、反應(yīng)腔的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)粉末攪拌功能

2、前驅(qū)體輸送需要更高效的擴(kuò)散以及單次大體積的加藥

當(dāng) ALD 表面反應(yīng)具有較低的反應(yīng)粘著系數(shù)時(shí)，反應(yīng)物在流化床反應(yīng)器中的停留時(shí)間可能太短而無(wú)法達(dá)到較高的前驅(qū)體利用效率。通過(guò)磁耦合旋轉(zhuǎn)饋通裝置旋轉(zhuǎn)多孔圓筒圓筒，從而獲得小于標(biāo)準(zhǔn)重力的離心力，粒子被連續(xù)的粒子“雪崩”效應(yīng)所攪動(dòng)。此外，惰性 N2 氣體脈沖有助于將顆粒從多孔壁上移出，并提供了一種有效的方法來(lái)清除顆粒床上的反應(yīng)物和產(chǎn)物。

對(duì)于需要更長(zhǎng)前驅(qū)體駐留時(shí)間的反應(yīng)或前驅(qū)體擴(kuò)散效率較高的反應(yīng)，旋轉(zhuǎn)式的反應(yīng)腔提供了一種更為簡(jiǎn)便的粉末 ALD 方式以及更高效的前驅(qū)體利用。而在工業(yè)級(jí)粉末 ALD 包覆時(shí)，粉末旋轉(zhuǎn)床可以節(jié)約更多的空間，進(jìn)行單批次更大吞吐量的粉末處理

除了流化床以及旋轉(zhuǎn)床，振動(dòng)也是實(shí)現(xiàn)粉末分散的一種良好方式。而振動(dòng)床最大的優(yōu)勢(shì)在于其連續(xù)化生產(chǎn)以及高通量粉末處理的能力。結(jié)合空間 ALD 技術(shù)，連續(xù)振動(dòng)空間顆粒 ALD 反應(yīng)器利用線性振動(dòng)將顆粒輸送到前驅(qū)體氣體的交替區(qū)域。相比之下，連續(xù)振動(dòng)的空間顆粒 ALD，顆粒通過(guò)定向振動(dòng)通過(guò)前驅(qū)體氣體的交替區(qū)域流動(dòng)，可以在保持低成本的同時(shí)實(shí)現(xiàn)粉末的高通量處理。振動(dòng)導(dǎo)致密集顆粒區(qū)域的攪動(dòng)，有助于打破堵塞，防止顆粒團(tuán)聚。在連續(xù)振動(dòng)的空間粒子 ALD 反應(yīng)器中，線性振動(dòng)以中頻、低振幅振蕩的方式輸送粒子通過(guò)交替氣區(qū)。這種振動(dòng)床比流化床更容易實(shí)現(xiàn)較多反應(yīng)周期的 ALD 工藝，且可隨時(shí)調(diào)整反應(yīng)空間的長(zhǎng)度，甚至可以達(dá)到每年千噸級(jí)的粉末處理量。