La imagen muestra una imagen de microscopía electrónica de transmisión de campo brillante (TEM) de gran aumento que muestra una delimitación obvia de la película de alúmina y la superficie de la partícula. En este trabajo, realizado por investigadores de NRL, el crecimiento por ciclo (GPC) durante la deposición de la capa atómica se compara para diferentes lotes de polvo con tamaños de partícula promedio que van desde nanómetros (nm) a micrómetros (μm). Las muestras preparadas después de depositar películas delgadas de alúmina (de 10 a 15 nm) sobre polvos de tungsteno usando la deposición de capa atómica de partículas (p-ALD) se investigaron con espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS), microscopía electrónica de barrido y transmisión (SEM), y TEM. Crédito:Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU.
Los científicos del Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. (NRL) han ideado una combinación inteligente de materiales, cuando se utilizan durante el proceso de crecimiento de película delgada, para revelar que la deposición de la capa atómica de partículas, o p-ALD, deposita una capa uniforme de nanómetros de espesor en las partículas del núcleo, independientemente del tamaño del núcleo, un descubrimiento que tiene un impacto significativo para muchas aplicaciones, ya que la mayoría de las técnicas de producción de polvo a gran escala forman lotes de polvo que se componen de una variedad de tamaños de partículas.
"La deposición de la capa atómica de partículas se destaca como una tecnología que puede crear nuevas y emocionantes partículas de núcleo / capa de diseño que se utilizarán como bloques de construcción para la próxima generación de nanocompuestos multifuncionales complejos, "dijo el Dr. Boris Feygelson, ingeniero de investigación, División de Ciencia y Tecnología Electrónica de NRL. "Nuestro trabajo es importante porque el grosor de la carcasa suele ser un parámetro crucial en aplicaciones en las que se pueden utilizar materiales núcleo-carcasa para mejorar el rendimiento de materiales futuros".
La deposición de capa atómica es una técnica de crecimiento de película delgada basada en deposición de vapor químico capa por capa que se usa ampliamente en la industria electrónica para depositar películas de materiales dieléctricos de nanómetros de espesor en dispositivos. Combinado con otras técnicas de enmascaramiento de deposición y sombreado, ALD es una parte integral de la fabricación de dispositivos y chips electrónicos. El mismo proceso en fase gaseosa se puede aplicar en un reactor de lecho de polvo fluidizado o rotatorio para hacer crecer películas de nanómetros de espesor que son altamente conformables y uniformemente gruesas en partículas individuales.
Representación artística de la comprensión previa de p-ALD (izquierda) y la nueva comprensión de p-ALD (derecha) obtenida por el trabajo de NRL, así como las implicaciones para las aplicaciones proactivas que utilizan la deposición de capas atómicas de partículas, que como UV, se capturan en células solares y pinturas resistentes a la abrasión. Crédito:Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU.
Investigaciones previas sobre p-ALD, patentado por ALD NanoSolutions, C ª., ha demostrado que el crecimiento de cada capa durante el proceso de deposición varía con el tamaño de las partículas, con el supuesto subyacente de que las partículas más grandes siempre tendrán menos crecimiento. Para observar este fenómeno de crecimiento, El equipo de NRL cultivó alúmina en partículas de tungsteno de tamaño nano y micrónico y midió el grosor de la capa en un microscopio electrónico de transmisión. Debido a la enorme diferencia de masa / densidad de los dos materiales, este emparejamiento proporciona un contraste máximo en el microscopio electrónico y la delimitación se puede distinguir fácilmente entre el núcleo de la partícula y la capa.
En su investigación, Los científicos crearon polvos de núcleo y capa que consistían en un núcleo de partículas de tungsteno y una capa delgada de alúmina que luego se sintetizaron mediante la deposición de capas atómicas en un reactor rotatorio. La deposición de la capa atómica estándar de trimetilaluminio y agua se realizó en lotes variables de polvo con diferentes tamaños medios de partículas.
"Asombrosamente, Descubrimos que el crecimiento por ciclo de la película de alúmina en una partícula individual en un lote resultó ser independiente del tamaño de una partícula individual, y por lo tanto, un lote de polvo, que consta de tamaños de partículas que abarcan órdenes de magnitud, tiene espesores de capa constante en todas las partículas. Este resultado altera la comprensión actual de ALD en partículas, "dijo el Dr. Kedar Manandhar, Postdoctorado de ASEE, División de Ciencia y Tecnología Electrónica de NRL y autor principal del artículo de investigación.
La obra, publicado recientemente en el Revista de ciencia y tecnología del vacío A , sugiere que el agua, un reactivo en el proceso ALD, es la razón de la misma tasa de crecimiento en diferentes partículas. Se determina que esta uniformidad de espesor en diferentes tamaños de partículas en un lote particular se debe a la dificultad de eliminar las moléculas de agua residuales del polvo durante el ciclo de purga del proceso de deposición de capa atómica (ALD). "El agua es muy pegajosa y es muy difícil quitar la última monocapa de las superficies, "Dice Feygelson." Y cuando tienes un lecho de polvos volteador, el agua se pega entre las partículas y da como resultado un crecimiento constante de la cáscara en el polvo volteador.
Las aplicaciones para esta investigación demuestran implicaciones para su uso en materiales como pinturas resistentes a la abrasión, catalizador de alta superficie, barreras de túnel de electrones, adsorción o captura ultravioleta en protectores solares o células solares e incluso más allá cuando se utilizan nanopartículas de núcleo-capa como bloques de construcción para fabricar nuevos sólidos nanoestructurados artificiales con propiedades sin precedentes.
