原子层沉积的应用

李阳明life 2018-11-25 15:27:34 291 浏览

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原子层沉积的应用:

原子层沉积的原理:

原子层沉积ALD在纳米材料方面的应用

在微纳集成器件进一步微型化和集成化的发展趋势下，现有器件特征尺寸已缩小至深亚微米和纳米量级，以突破常规尺寸的极限实现超微型化和高功能密度化，成为近些年来的热点研究领域。微纳结构器件不仅对功能薄膜本身的厚度和质量要求严格，而且对功能薄膜/基底之间的界面质量也十分敏感，尤其是随着复杂高深宽比和多孔纳米结构在微纳器件中的应用，传统的薄膜制备工艺越来越难以满足其发展需求。ALD 技术沉积参数高度可控，可在各种尺寸的复杂三维微纳结构基底上，实现原子级精度的薄膜形成和生长，可制备出高均匀性、高精度、高保形的纳米级薄膜。

微机电系统(MEMS)是尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统，主要由传感器、动作器(执行器)和微能源三大部分组成，广泛应用于智能系统、消费电子、可穿戴设备、智能家居、系统生物技术的合成生物学与微流控技术等领域。MEMS的构造过程需要精细的微纳加工技术，而工作过程伴随着器件复杂的三维运动，其中ALD技术均可发挥重要作用，ALD具有高致密性以及高纵宽比结构均匀性，为MEMS机械耐磨损层、抗腐蚀层、介电层、憎水涂层、生物相容性涂层、刻蚀掩膜层等提供优质解决方案。

磁隧道结(MTJ)是由钉扎层、绝缘介质层和自由由层的多层堆垛组成。在电场作用下，电子会隧穿绝缘层势垒而垂直穿过器件，电子隧穿的程度依赖于钉扎层和自由层的相对磁化方向。随着MTJ尺寸的不断缩小以及芯片集成度的不断提高，MTJ制备过程中的薄膜生长工艺偏差和刻蚀工艺偏差的存在，将会导致MTJ状态切换变得不稳定，并降低MTJ的读取甚至会严重影响NV-FA电路中写入功能和逻辑运算结果输出功能的正确性。ALD技术沉积参数高度可控，可通过精准控制循环数来控制MTJ所需达到的各项参数，是适用于MTJ制造的最佳工艺方案之一。

生物物理学微流体器件可由单个纳米孔和电极组成，也可以由许多纳米孔阵列组成，可同时筛选、引导、定位、测量不同尺度的生物大分子，在生物物理学和生物技术领域中有着广泛的应用前景。生物纳米孔逐渐受到了人们的普遍重视引起了人们的广泛兴趣，尤其是纳米孔作为生物聚合物的检测器件，为一些生物化学现象的基础研究提供了研究的平台。然而生物纳米孔所固有的一些缺陷也很明显，如生物相容性差及微孔的尺寸不可更改等；针对于此，ALD技术可通过表面修饰，改善纳米孔的生物相容性，同时提升抗菌抑菌和促进细胞合成。

图一: ALD Al2O3(仅~10 nm)可作为MEMS齿轮高硬度润滑膜

图二：ALD应用于低温MEMS器件构造

图三：MRAM磁隧道结（MTJ）存储元件

图四：一种具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜

2023-08-09 15:13:49 187 0

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电弧等离子体沉积系统

■ 双电弧等离子体源共沉积制备新型GX铂镍催化剂

N. Todoroki[1]等人以高活性氧还原反应（oxygen reduction reaction，ORR）为目标，设计了一种新型基于铂-镍合金纳米颗粒堆叠薄膜（nanoparticle-stacking thin film，NPSTF）结构的电催化剂。合成所得铂-镍NPSTF的质量活性比商用碳负载的铂催化剂要高十倍。铂-镍NPSTF显著的ORR活性增强被归因于：

1）由底层镍原子诱导的表面铂富集层的电子性质修饰；

2）由铂-镍纳米颗粒堆叠而实现的活性表面区域的增加。

本实验利用日本Advance Riko公司的APD电弧等离子体沉积系统完成。

(a)由APD共沉积获得的Pt2Ni8薄膜截面的HAADF-STEM图像；(b)脱合金后得到的Pt2Ni8薄膜截面图像；(c)脱合金后获得的Pt2Ni8纳米结构示意图

参考文献：

[1]N. Todoroki, et al., Pt−Ni Nanoparticle-Stacking Thin Film: Highly Active Electrocatalysts for Oxygen Reduction Reaction. ACS Catal., 2015, 5, 2209-2212.

详情请点击：双电弧等离子体源共沉积制备新型GX铂镍催化剂

■ 电弧等离子体源与分子束外延技术的集成

在先进电子与光电子器件领域， C族-Ⅳ族半导体材料是颇受关注的一种重要材料。特别地，碳含量在4%~11%的Ge1-xCx外延层被认为具有直接带隙结构、且能够补偿由硅衬底晶格失配引起的固有应变。然而，目前尚未获知稳定的GeC相晶体材料，而且体材Ge中极低的C原子溶解度（平衡态下为108 atoms/cm3）也阻碍了获取结晶良好且含碳量高的GeC外延层。目前已有部分利用MBE或CVD生长GeC外延层的报道，相关研究人员目前的研究ZD之一是提升外延层Ge1-xCx中替位C含量x的数值。近期，有研究人员利用超高真空考夫曼型宽离子束源，在200 ℃~500 ℃的生长温度下，在Ge（001）衬底上获得了x≤2%的Ge1-xCx外延层。

在M. Okinaka等人[1]的工作中，为了进一步增强非平衡生长，首次采用了电弧等离子体枪作为新型C源，在Si（001）衬底上利用MBE制备了GeC外延层。结果表明，对于在硅表面利用MBE生长GeC外延层来说，电弧等离子体枪的使用以及非平衡生长的增强，对于外延层中C的掺入以及YZ外延层中C团簇的形成具有重要作用。

以电弧等离子体作为碳源在Si（001）衬底表面生长的碳膜的AFM图像，薄膜表面非常平整，粗糙度为纳米级

参考文献：
[1] M. Okinaka, et al., MBE growth mode and C incorporation of GeC epilayers on Si(001) substrates using an arc plasma gun as a novel C source. J. Cryst. Growth, 2003, 249, 78-86.

[2] G. Yu, et al., Ion velocities in vacuum arc plasmas. J. Appl. Phys., 2000, 88, 5618.

详情请点击：电弧等离子体沉积技术的特殊应用案例——电弧等离子体源与分子束外延技术的集成

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