原子层沉积（ALD）是什么及应用

原子层沉积（ALD）是什么及应用

1、ALD的定义

原子层沉积（ALD）是一种薄膜沉积技术，其中化学前体依次被引入到衬底表面，在那里它们直接与表面化学反应形成薄膜的亚单层。顾名思义，它基本上是原子性质的，并导致在原子尺度上在选定的衬底表面精确沉积薄膜。

2、背景

ALD的概念很早是由V.B. Aleskovskii教授在1952年的博士论文中提出的。这项工作在1960年与Kolt ' sov教授一起对这一过程进行的另一项工作中得到巩固，他们发表了ALD的原理，标题为“分子分层”。

1970年，Tuomo Suntola博士与其他研究人员一起开发了一种工业薄膜沉积技术，并将其称为“原子层外延”（ALE）。该技术起初应用于薄膜电致发光（TFEL）平板显示器，多年来，该技术和材料的选择不断发展，并在光伏、催化、半导体器件和许多其他行业中得到了应用。

ALD是通过将两种或两种以上的前体交替注入一个腔室发生化学反应而发生的，在这个腔室中，衬底被放置在给定的温度和压力下，使材料一层一层地沉积在衬底表面。与化学气相沉积（CVD）和其他类似的沉积方法不同，在ALD中前体不是同时泵送的，而是顺序脉冲的。虽然ALD和CVD有相似之处，但区别在于前驱体吸附的自限制特性，前驱体和反应物的交替和顺序引入。

此外，ALD作为一种薄膜沉积方法因其独特的均匀沉积和在复杂三维表面上的保形膜而变得越来越有吸引力。薄膜沉积可分为三大类：基于液体、气体和固体的沉积方法，其中包括但不限于物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）。ALD可以算作传统CVD工艺的先进版本。在ALD过程中，前驱体蒸汽和吹扫气体的交替脉冲被引入反应器，由于与可接近的表面基团发生自饱和反应，导致薄膜生长，导致材料（亚）单层的自限制生长。ALD法沉积ZnO薄膜的过程如图1所示。如图1所示，两种前驱体的ALD工艺通常用于沉积金属氧化物薄膜；一个是金属源，另一个是氧源（氧化剂-臭氧）。

氧化铝（Al2O3）薄膜的合成是ALD工艺的另一个例子，其中使用三甲基铝（TMA）和热ALD反应器中的水来制备薄膜。单循环沉积过程的步骤如下：

在反应器室中暴露第一前体以在衬底上形成一层

吹扫多余的第一前驱体和副产物

第二前体的暴露

吹扫或排出多余的第二前体和副产物

重复这个过程，直到达到所需的薄膜厚度。

图2演示了上述流程。

以TiCl4和H2O为前驱体，在羟基功能化的底物上沉积TiO2的ALD过程模型。copyright Elsevier 2017。

这篇综述着眼于ALD的进展，在计算和实验方法的两个领域的过程和产品的发展，在这一领域迄今为止。这也将为这一新兴技术的前景提供见解。

3、 薄膜应用

薄膜可以定义为厚度从纳米到几微米的一层材料。薄膜可以使用各种基于物理或化学过程的技术来生产。薄膜涂层在许多领域都有应用，如半导体，它可以为更小的器件设计更小的半导体，同时性能更好，能效更高。薄膜在电池制造中的应用也有报道，可以提高电池的效率。太阳能工业是另一个很大程度上依赖薄膜技术的行业，因为薄膜具有易于生产和更高灵活性等优点，是现有太阳能电池板的潜在替代品[20,27,29 - 35]。薄膜在水净化方面的另一个应用，它可以减小净化装置的尺寸并提高效率，例如膜技术和用于水处理的光催化剂薄膜的制造。薄膜在废水处理中非常有用，其中需要应用纳米材料作为光催化剂来减少污染。

应用薄膜代替纳米粉末是一种有效的方法，可以将纳米材料固定在衬底表面，避免了从水和废水中分离纳米材料的麻烦。空气净化是纳米材料可以用作薄膜的另一个领域。汽车工业是薄膜的另一个大应用领域，因为它几乎应用于汽车的每个部分，例如，应用薄膜可以减小不同零件的尺寸并提高其寿命。薄膜在医药和医疗器械上有着巨大的应用，例如，它可以减小医疗器械的尺寸，使其应用更容易、更耐用和更安全。