Undersøgelse afslører en ny ensartet belægningsproces af p-ALD

Forskere ved U.S. Naval Research Laboratory (NRL) har udtænkt en smart kombination af materialer-når de bruges under tyndfilmvækstprocessen-for at afsløre, at partikelatomlagsaflejring, eller p-ALD, afsætter en ensartet nanometertyk skal på kernepartikler uanset kernestørrelse, en opdagelse, der har betydelig indvirkning på mange anvendelser, da de fleste pulverproduktionsteknikker i stor skala danner pulverbatcher, der består af en række partikelstørrelser.

"Partikel atomare lagaflejring fremhæves som en teknologi, der kan skabe nye og spændende designer kerne/skalpartikler, der skal bruges som byggesten til den næste generation af komplekse multifunktionelle nanokompositter, " sagde Dr. Boris Feygelson, forskningsingeniør, NRL Electronics Science and Technology Division. "Vores arbejde er vigtigt, fordi skaltykkelse oftest er en afgørende parameter i applikationer, hvor kerneskallematerialer kan bruges til at forbedre ydelsen af ​​fremtidige materialer."

Atomisk lagaflejring er en lag-for-lag kemisk dampaflejring-baseret tyndfilmvækstteknik, der anvendes i vid udstrækning i elektronikindustrien til at afsætte nanometertykke film af dielektriske materialer på enheder. Kombineret med andre aflejrings- og skyggemaskeringsteknikker, ALD er en integreret del af fremstilling af elektroniske chip og enhed. Den samme gasfaseproces kan anvendes i en roterende eller fluidiserende pulverlegereaktor for at dyrke nanometer-tykke film, der er meget konforme og ensartet tykke på individuelle partikler.

Tidligere forskning om p-ALD, patenteret af ALD NanoSolutions, Inc., har vist, at væksten af ​​hvert lag under aflejringsprocessen varierer med partikelstørrelsen, med den underliggende antagelse, at større partikler altid vil have mindre vækst. For at observere dette vækstfænomen, NRL-holdet dyrkede aluminiumoxid på partikler af nano- og mikronstørrelse af wolfram og målte skaltykkelsen i et transmissionselektronmikroskop. På grund af den enorme masse/densitetsforskel mellem de to materialer, denne parring giver maksimal kontrast i elektronmikroskopet, og afgrænsning var let at skelne mellem partikelkernen og skallen.

I deres forskning, forskerne skabte kerne- og skalpulvere bestående af en wolframpartikelkerne og tynd aluminiumoxidskal, som derefter blev syntetiseret ved hjælp af atomlagsaflejring i en roterende reaktor. Standard atomlagsaflejring af trimethylaluminium og vand blev udført på varierende partier af pulver med forskellige gennemsnitlige partikelstørrelser.

"Utroligt nok, vi fandt, at væksten pr. cyklus af aluminiumoxidfilmen på en individuel partikel i en batch viste sig at være uafhængig af størrelsen af ​​en individuel partikel, og derfor, en pulverbatch - som består af partikelstørrelser, der spænder over størrelsesordener - har konstante skaltykkelser på alle partikler. Dette resultat forstyrrer den nuværende forståelse af ALD på partikler, " sagde Dr. Kedar Manandhar, ASEE postdoc, NRL Electronics Science and Technology Division og førende forfatter af forskningspapiret.

Arbejdet, udgivet for nylig i Journal of Vacuum Science and Technology A , tyder på, at vand, en reaktant i ALD-processen, er årsagen til den samme væksthastighed på forskellige partikler. Denne ensartethed af tykkelse på forskellige partikelstørrelser i en bestemt batch er bestemt til at skyldes vanskeligheden ved at fjerne resterende vandmolekyler fra pulveret under udrensningscyklussen af ​​atomlagaflejringsprocessen (ALD). "Vand er meget klistret, og det er meget svært at fjerne det sidste monolag fra overflader, " siger Feygelson. "Og når du har en tumlende seng af pulver, vandet klæber rundt mellem partiklerne og resulterer i konsekvent skalvækst i tumblingspulveret.

Ansøgninger til denne forskning viser konsekvenser for brug i materialer som slidbestandige maling, katalysator med stort overfladeareal, elektrontunnelbarrierer, ultraviolet adsorption eller optagelse i solcremer eller solceller og endda når kerneskal-nanopartikler bruges som byggesten til fremstilling af nye kunstige nanostrukturerede faste stoffer med hidtil usete egenskaber.