Bilden visar högförstoring ljusfältstransmissionselektronmikroskopi (TEM) bild som visar tydlig avgränsning av aluminiumoxidfilm och partikelyta. I det här arbetet, utförd av NRL-forskare, tillväxten per cykel (GPC) under atomskiktsavsättning jämförs för olika partier av pulver med genomsnittliga partikelstorlekar från nanometer (nm) till mikrometer (μm). Prover framställda efter avsättning av tunna aluminiumoxidfilmer (från 10 till 15 nm) på volframpulver med användning av partikelatomskiktsdeposition (p-ALD) undersöktes med röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS), scanning och transmissionselektronmikroskopi (SEM), och TEM. Kredit:US Naval Research Laboratory
Forskare vid U.S. Naval Research Laboratory (NRL) har utarbetat en smart kombination av material - när de används under tunnfilmstillväxtprocessen - för att avslöja att partikelavsättningen av atomlager, eller p-ALD, avsätter ett enhetligt nanometertjockt skal på kärnpartiklar oavsett kärnstorlek, en upptäckt som har betydande effekter för många tillämpningar eftersom de flesta storskaliga pulverproduktionstekniker bildar pulverbatcher som består av en rad partikelstorlekar.
"Atomlager av partiklar framhävs som en teknik som kan skapa nya och spännande designerkärna/skalpartiklar för att användas som byggstenar för nästa generation av komplexa multifunktionella nanokompositer, " sa Dr Boris Feygelson, forskningsingenjör, NRL Electronics Science and Technology Division. "Vårt arbete är viktigt eftersom skaltjockleken oftast är en avgörande parameter i applikationer där kärn-skalmaterial kan användas för att förbättra prestandan hos framtida material."
Atomskiktsavsättning är en kemisk ångavsättningsbaserad tunnfilmstillväxtteknik baserad på skikt för skikt som används i stor utsträckning inom elektronikindustrin för att deponera nanometertjocka filmer av dielektriska material på enheter. Kombinerat med andra deponerings- och skuggmaskeringstekniker, ALD är en integrerad del av tillverkning av elektroniska chip och enheter. Samma gasfasprocess kan appliceras i en roterande eller fluidiserande pulverbäddsreaktor för att odla nanometertjocka filmer som är mycket konforma och likformigt tjocka på enskilda partiklar.
Konstnärlig skildring av tidigare förståelse för p-ALD (vänster) och ny förståelse av p-ALD (höger) som uppnåtts av NRL:s arbete, såväl som implikationer för proaktiva tillämpningar som använder partikelavsättning av atomskikt, som UV, fångas i solceller och nötningsbeständiga färger. Kredit:U.S. Naval Research Laboratory
Tidigare forskning om p-ALD, patenterad av ALD NanoSolutions, Inc., har visat att tillväxten av varje lager under deponeringsprocessen varierar med partikelstorleken, med det underliggande antagandet att större partiklar alltid kommer att ha mindre tillväxt. För att observera detta tillväxtfenomen, NRL-teamet odlade aluminiumoxid på nano- och mikronstora partiklar av volfram och mätte skaltjockleken i ett transmissionselektronmikroskop. På grund av den enorma massa/densitetsskillnaden mellan de två materialen, denna sammankoppling ger maximal kontrast i elektronmikroskopet och avgränsningen var lätt att skilja mellan partikelkärnan och skalet.
I sin forskning, forskarna skapade härd- och skalpulver bestående av en volframpartikelkärna och ett tunt aluminiumoxidskal som sedan syntetiserades med användning av atomlager i en roterande reaktor. Standard atomskiktsavsättning av trimetylaluminium och vatten utfördes på varierande partier av pulver med olika medelpartikelstorlekar.
"Otroligt, vi fann att tillväxten per cykel av aluminiumoxidfilmen på en enskild partikel i en sats visades vara oberoende av storleken på en enskild partikel, och därför, en pulversats – som består av partikelstorlekar som spänner över storleksordningar – har konstant skaltjocklek på alla partiklar. Detta resultat rubbar den nuvarande förståelsen av ALD på partiklar, " sa Dr Kedar Manandhar, ASEE postdoc, NRL Electronics Science and Technology Division och ledande författare till forskningsrapporten.
Arbetet, publicerades nyligen i Journal of Vacuum Science and Technology A , föreslår att vatten, en reaktant i ALD-processen, är orsaken till samma tillväxttakt på olika partiklar. Denna enhetlighet i tjockleken på olika partikelstorlekar i en viss sats bestäms bero på svårigheten att avlägsna kvarvarande vattenmolekyler från pulvret under reningscykeln av atomskiktsavsättningsprocessen (ALD). "Vattnet är väldigt klibbigt och det är väldigt svårt att ta bort det sista monoskiktet från ytor, " säger Feygelson. "Och när du har en tumlande bädd av pulver, vattnet fastnar mellan partiklarna och resulterar i konsekvent skaltillväxt i det tumlande pulvret.
Ansökningar för denna forskning visar implikationer för användning i material som nötningsbeständiga färger, katalysator med stor yta, elektrontunnelbarriärer, ultraviolett adsorption eller infångning i solskyddsmedel eller solceller och till och med bortom när kärna-skal nanopartiklar används som byggstenar för att göra nya konstgjorda nanostrukturerade fasta ämnen med oöverträffade egenskaper.
