Wetenschappers van het U.S. Naval Research Laboratory (NRL) hebben een slimme combinatie van materialen bedacht - wanneer ze worden gebruikt tijdens het dunnefilmgroeiproces - om te onthullen dat de afzetting van de atomaire deeltjeslaag, of p-ALD, zet een uniforme nanometer dikke schil af op kerndeeltjes, ongeacht de grootte van de kern, een ontdekking die aanzienlijke gevolgen heeft voor veel toepassingen, aangezien de meeste grootschalige poederproductietechnieken poederbatches vormen die zijn samengesteld uit een reeks deeltjesgroottes.

"Atomaire laagafzetting van deeltjes wordt benadrukt als een technologie die nieuwe en opwindende ontwerperkern/schildeeltjes kan creëren die kunnen worden gebruikt als bouwstenen voor de volgende generatie complexe multifunctionele nanocomposieten, " zei dr. Boris Feygelson, onderzoeksingenieur, NRL Electronics Science and Technology Division. "Ons werk is belangrijk omdat schaaldikte meestal een cruciale parameter is in toepassingen waar kern-schaalmaterialen kunnen worden gebruikt om de prestaties van toekomstige materialen te verbeteren."

Atomaire laagafzetting is een laag-voor-laag op chemische dampafzetting gebaseerde dunnefilmgroeitechniek die veel wordt gebruikt in de elektronica-industrie om nanometerdikke films van diëlektrische materialen op apparaten af ​​te zetten. Gecombineerd met andere depositie- en schaduwmaskeringstechnieken, ALD is een integraal onderdeel van de fabricage van elektronische chips en apparaten. Hetzelfde gasfaseproces kan worden toegepast in een roterende of gefluïdiseerde poederbedreactor om nanometerdikke films te laten groeien die zeer conform en uniform dik zijn op individuele deeltjes.

Eerder onderzoek naar p-ALD, gepatenteerd door ALD NanoSolutions, Inc., heeft aangetoond dat de groei van elke laag tijdens het depositieproces varieert met de deeltjesgrootte, met de onderliggende veronderstelling dat grotere deeltjes altijd minder groei zullen hebben. Om dit groeiverschijnsel te observeren, het NRL-team kweekte aluminiumoxide op nano- en microndeeltjes van wolfraam en mat de schaaldikte in een transmissie-elektronenmicroscoop. Vanwege het enorme massa/dichtheidsverschil van de twee materialen, deze koppeling zorgt voor maximaal contrast in de elektronenmicroscoop en de afbakening was gemakkelijk te onderscheiden tussen de deeltjeskern en de schaal.

In hun onderzoek hebben de wetenschappers creëerden kern- en schaalpoeders bestaande uit een kern van wolfraamdeeltjes en een dunne aluminiumoxideschaal die vervolgens werden gesynthetiseerd met behulp van atomaire laagafzetting in een roterende reactor. Standaard atomaire laagafzetting van trimethylaluminium en water werd uitgevoerd op verschillende partijen poeder met verschillende gemiddelde deeltjesgroottes.

"Verbazingwekkend, we ontdekten dat de groei per cyclus van de aluminiumoxidefilm op een individueel deeltje in een batch onafhankelijk bleek te zijn van de grootte van een individueel deeltje, en daarom, een poederbatch - die bestaat uit deeltjesgroottes die ordes van grootte overspannen - heeft constante schaaldiktes op alle deeltjes. Dit resultaat verstoort het huidige begrip van ALD op deeltjes, " zei Dr. Kedar Manandhar, ASEE-postdoc, NRL Electronics Science and Technology Division en hoofdauteur van het onderzoekspaper.

Het werk, onlangs gepubliceerd in de Journal of Vacuum Science and Technology A , suggereert dat water, een reactant in het ALD-proces, is de reden voor dezelfde groeisnelheid op verschillende deeltjes. Deze uniformiteit van dikte op verschillende deeltjesgroottes in een bepaalde batch wordt bepaald als te wijten aan de moeilijkheid om resterende watermoleculen uit het poeder te verwijderen tijdens de zuiveringscyclus van het atoomlaagafzetting (ALD) proces. "Water is erg plakkerig en het is erg moeilijk om de laatste monolaag van oppervlakken te verwijderen, "zegt Feygelson. "En als je een tuimelend bed van poeders hebt, het water blijft tussen de deeltjes hangen en resulteert in een consistente schelpgroei in het tuimelende poeder.

Toepassingen voor dit onderzoek tonen implicaties aan voor gebruik in materialen zoals slijtvaste verven, hoge oppervlaktekatalysator, elektronen tunneling barrières, ultraviolette adsorptie of opname in zonnefilters of zonnecellen en zelfs daarbuiten wanneer kern-schaal nanodeeltjes worden gebruikt als bouwstenen voor het maken van nieuwe kunstmatige nanogestructureerde vaste stoffen met ongekende eigenschappen.