[发明专利]一种包覆超细粉体的原子层沉积方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及原子层沉积技术，更具体地，涉及一种包覆超细粉体的原子层沉积方法与装置。

背景技术

随着物质的超细化,其表面电子结构和晶体结构发生了变化,产生了块状材料不具备的表面效应、小尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应，使超细粉体与常规颗粒材料相比具有一系列优异的物理,化学性质，但同时也具有容易团聚、容易被氧化、性质不稳定等一系列缺点。在超细粉体表面包覆保护层，不仅能克服上述缺点，而且可使包覆后的粉体颗粒具有抗烧结性能，核壳结构甚至可以使粉体成为具有新的物理化学性能的复合材料。

目前粉体的包覆方法主要有固相法、液相法和气相法。作为一种特殊的化学气相沉积技术，原子层沉积技术（Atomic Layer Deposition,ALD）与其他沉积技术相比具有优良的均匀一致性和尺寸可控性。利用原子层沉积技术进行粉体包覆是在粉体表面通过表面自限制（self-limiting）化学吸附反应，生长出一层非常均匀的纳米级厚度的薄膜，可以通过控制循环的次数来精确包覆的厚度，并且具有良好的保形性。

然而，粉体过大的比表面积和过高的比表面能会引起严重的颗粒团聚现象，损害粉体沉积最为关键的包覆率与包覆均匀性，使包覆粉体失去了许多优异性能，严重制约了超细粉体的进一步发展及工业化应用。常规的对基片表面进行原子层沉积的方法及其设备，对于基片表面的沉积简单有效，但是对于粉体颗粒的表面包覆却具有很大的限制，无法解决小粒径超细粉体在包覆过程中严重团聚的问题，包覆均匀性差，包覆率低，且每次沉积过程包覆的粉体颗粒数量非常有限，无法得到理想的沉积效果。

此外，申请公布号为CN102418085A的专利申请文件公开了一种针对粉体的原子层沉积方法，采用旋转式粉体夹持器，利用离心力使粉体颗粒分散。该方法存在如下不足：（1）对粒径小的颗粒分散效果差，容易团聚；（2）团聚后的粉体颗粒团聚体大小不一，旋转时在离心力的作用下会内外分层，导致内层颗粒包覆更加困难，包覆率远不如外层，且膜厚与外层颗粒差异大，不能满足粉体包覆对高均匀性的要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷，本发明提供了一种包覆超细粉体的原子层沉积方法与装置，能有效提高粉体包覆率与沉积均匀性，并使得在每次沉积过程中对大量粉体进行包覆成为可能，提高了粉体包覆的效率。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种包覆超细粉体的原子层沉积方法，其特征在于，在前驱体的吸附过程中引入了流化气，利用流化气吹散粉体，实现粉体的充分分散。

优选地，通过调节所述流化气的流量或流速，使不同粒径与质量的粉体充分分散。

按照本发明的另一方面，提供了一种包覆超细粉体的原子层沉积方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将反应腔体抽真空，保证反应区域对空气的有效隔离；（2）依次完成多种前驱体的吸附，生成包覆在粉体颗粒表面的单原子层薄膜，其中，在每种前驱体的吸附过程中引入流化气，利用流化气实现粉体的充分分散，在每种前驱体的吸附完成之后，通入惰性气体对反应区域及粉体颗粒表面进行清洗。（3）根据所需包覆层厚度，重复执行步骤（2），精确得到所需厚度的包覆层薄膜。

优选地，所述步骤（2）中，对于容易吸附的前驱体，采用不保压吸附，对于较难吸附的前驱体，采用保压吸附；所述不保压吸附的方法如下：向反应腔体持续通入流化气，将粉体吹散到整个反应区域，循环通入多个前驱体脉冲，并持续对反应腔体抽气；所述保压吸附的方法如下：向反应腔体依次交替通入流化气脉冲和前驱体脉冲多次，不对反应腔体抽气或减小抽气流量，进行保压。

优选地，所述流化气的流速为5～50cm/s。

优选地，所述前驱体脉冲的脉宽为0.05～2s。

优选地，所述保压吸附的方法中，所述流化气脉冲的脉宽为0.1～3s。

优选地，所述保压吸附的方法中，保压压力为100～10000Pa。