Ytmodifiering av mikronanopartiklar på atomär och nära atomär skala är av stor betydelse för deras tillämpningar inom en mängd olika områden, såsom energilagring, katalys, sensorer och biomedicin. För att möta industrikraven inom dessa områden är det akut nödvändigt att utveckla högvolymtillverkning av atomärt exakta beläggningar på partikelformiga material. Som en avancerad extrem tillverkningsmetod är atomskiktsdeposition (ALD) en tunnfilmsdepositionsmetod som erbjuder hålfria filmer med exakt tjocklekskontroll på ångströmnivå och exceptionell homogenitet på komplexa strukturer. Fluidiserad bädd ALD (FB-ALD) har visat stor potential i atomärt ultratunna filmer på stora mängder partiklar.

I en ny artikel publicerad i International Journal of Extreme Manufacturing , ett team av forskare, ledda av prof. Rong Chen från State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment and Technology, School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Kina, har utförligt undersökt effekten av ultraljudsvibrationer på hydrodynamik och partikelagglomerationsbeteendet i en FB-ALD-reaktor via CFD-DEM-simulering. Bäddtrycket faller och expanderar, vätsketurbulent kinetisk energi, fördelning av partikelhastigheter och fast volymfraktion samt agglomeratstorlekarna presenteras för att karakterisera fluidiseringskvaliteten. Olika amplituder och frekvenser av ultraljudsvibrationer undersöks för att hitta de optimala förhållandena för att förbättra fluidiseringskvaliteten och beläggningseffektiviteten i FB-ALD-processen.

För att undersöka effekten av ultraljudsvibrationer på de allmänna fluidiseringsbeteendena, appliceras en typisk ultraljudsvibration med en frekvens på 20 kHz och en amplitud på 20 µm på FB efter att fluidiseringen når ett stabilt tillstånd. Med induceringen av ultraljudsvibrationen ökar hastigheten för partiklarna nära den vibrerande väggen omedelbart. Antalet partiklar med höga hastigheter ökar också, vilket leder till fler partikel-partikelkollisioner. Dessutom ökar bäddhöjden gradvis med tiden, vilket innebär att ultraljudsvibrationen effektivt kan främja partikelspridning. Dessutom reduceras kanalisering också av ultraljudsfältet. Dessa förbättringar av fluidiseringsbeteende är fördelaktiga för partikelbeläggningsprocessen, eftersom prekursormolekylerna kan diffundera snabbare och mer likformigt in i agglomeraten, vilket ökar den totala beläggningseffektiviteten.

Fluid turbulent rörelse är den primära orsaken till att partiklar uppnår slumpmässig rörelse, och turbulens kinetisk energi är nyckelfaktorn för att utvärdera brottenergin för partikelagglomerat. Utan ultraljudsvibrationen är den kinetiska turbulensenergin ganska liten och den förblir oförändrad. Men när ultraljudsvibrationen väl appliceras ökar den maximala turbulenskinetiska energin kraftigt. Det visas att den maximala kinetiska turbulensenergin ökar med frekvensen eller amplituden som ökar.

Karakteriseringar av koordinationsnumret och agglomeratstorleksfördelningen för alla fall utförs också för att kvantitativt undersöka partikelagglomerationen och brottbeteendet. När ultraljudsfrekvensen är inställd på 20 kHz ökar ultraljudsfältets deagglomereringseffekt med ultraljudsamplituden. När ultraljudsfrekvensen ökar från 10 kHz till 20 kHz ökar sannolikheten för agglomeraten som bildas av två primära partiklar snabbt, medan agglomeraten som bildas av tre till tio primära partiklar alla minskar. Detta indikerar att ultraljudsvibrationen med frekvensen 20 kHz ytterligare kan bryta de små agglomeraten till det minsta agglomeratet eller till och med enskilda partiklar.

För att verifiera simuleringsresultaten har jämförande beläggningsexperiment utförts med ultraljudsvibrationsassisterad FB-ALD-reaktor på NCM811-partiklar, som kan erbjuda hög energitäthet i litiumjonbatterier för bilar (LIB). SEM-bilderna av de belagda nanopartiklarna visar också att partiklarna i den ultraljudsvibrationsassisterade FB-ALD har spridits effektivt, vilket leder till mer konforma lager och en högre beläggningseffektivitet. Experimentdata stämmer väl överens med simuleringsresultaten, som har verifierat effektiviteten hos den dynamiska flerskaliga CFD-DEM-modellen.

Professor Chen Rong och andra forskare i hennes grupp svarade på frågor om flera nyckelpunkter när de utförde den ultraljudsvibrationsassisterade FB-ALD-tekniken:

Är den nuvarande CFD-DEM-modellen av FB med en storlek på några millimeter tillräckligt exakt för att förutsäga partikelbeteendet i en uppskalad ultraljudsvibrationsassisterad FB-ALD-reaktor?

"Även om den nuvarande flerskaliga CFD-DEM-modellen endast täcker skalor från de enkla agglomeraten till FB med en storlek på några millimeter, har den framgångsrikt avslöjat partikelagglomerering och brottbeteende med ultraljudshjälp. Med utvecklingen av multiskalteorin och beräkningstekniken vetenskap, tros denna modell vara vidareutvecklad för en bättre undersökning från labb- till tillverkningsskala."

Hur påverkar ultraljudsvibrationen agglomeratbrottet? Är det alltid bättre att använda högre ultraljudsfrekvenser?

"Det finns ett kritiskt värde för ultraljudsfrekvensen. När ultraljudsvärdet är lägre än det kritiska värdet ökar den genomsnittliga partikelhastigheten och agglomeratstorleken med ultraljudsfrekvensen ökande. Men när ultraljudsfrekvensen överstiger detta kritiska värde (t.ex. 40) kHz) börjar partiklarna agglomerera nära den vibrerande väggen."

Vilka aspekter bör vi överväga när vi optimerar processparametrarna eller designar ultraljudsvibrations-FB-ALD-reaktorn för beläggning av stora mängder nanopartiklar?

"Valet av ultraljudsfrekvenser eller -amplituder beror på många faktorer, såsom reaktortrycket, de ekvivalenta kohesiva krafterna mellan partiklarna, såväl som partikelstorleksfördelningen i hela FB. För den optimala designreaktorn, kunskap från angränsande fält såsom hydromekanik och maskinteknik krävs vidare."

Forskare har föreslagit att olika typer av partikelformiga material kommer att dra mycket nytta av den ultraljudsvibrationsassisterade FB-ALD-tekniken. Assistansen av ultraljudsvibrationer kan effektivt accelerera vätskans och partiklarnas hastighet nära den vibrerande väggen. Förbättrad fluidiseringskvalitet hos nanopartiklar är också skyldig att underlätta värmeöverföringen och prekursordiffusionen i hela FB-ALD-reaktorn och agglomeraten, vilket i hög grad kan förbättra beläggningseffektiviteten. + Utforska vidare

Laddar undervattens- och kroppsimplanterade elektroniska enheter med hjälp av ultraljudsvågor