L'immagine mostra un'immagine al microscopio elettronico a trasmissione in campo chiaro (TEM) ad alto ingrandimento che mostra l'evidente delineazione del film di allumina e della superficie della particella. In questo lavoro, eseguita da ricercatori di NRL, la crescita per ciclo (GPC) durante la deposizione dello strato atomico viene confrontata per diversi lotti di polvere con dimensioni medie delle particelle che vanno da nanometri (nm) a micrometri (μm). I campioni preparati dopo aver depositato sottili film di allumina (da 10 a 15 nm) su polveri di tungsteno mediante deposizione di strati atomici di particelle (p-ALD) sono stati studiati con spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS), microscopia elettronica a scansione e trasmissione (SEM), e TEM. Credito:Laboratorio di ricerca navale statunitense
Gli scienziati del Naval Research Laboratory (NRL) degli Stati Uniti hanno ideato un'intelligente combinazione di materiali, quando utilizzati durante il processo di crescita del film sottile, per rivelare che la deposizione di strati atomici di particelle, o p-ALD, deposita un guscio uniforme dello spessore di nanometri sulle particelle del nucleo indipendentemente dalle dimensioni del nucleo, una scoperta che ha un impatto significativo per molte applicazioni poiché la maggior parte delle tecniche di produzione di polvere su larga scala forma lotti di polvere costituiti da una gamma di dimensioni delle particelle.
"La deposizione di strati atomici di particelle è evidenziata come una tecnologia in grado di creare nuove ed entusiasmanti particelle di nucleo/guscio di design da utilizzare come elementi costitutivi per la prossima generazione di complessi nanocompositi multifunzionali, " ha detto il dottor Boris Feygelson, Ingegnere ricercatore, NRL Divisione Scienza e Tecnologia dell'elettronica. "Il nostro lavoro è importante perché lo spessore del guscio è molto spesso un parametro cruciale nelle applicazioni in cui i materiali del nucleo-guscio possono essere utilizzati per migliorare le prestazioni dei materiali futuri".
La deposizione di strati atomici è una tecnica di crescita di film sottili basata sulla deposizione chimica da vapore strato per strato utilizzata ampiamente nell'industria elettronica per depositare pellicole di materiali dielettrici di spessore nanometrico sui dispositivi. In combinazione con altre tecniche di mascheratura di deposizione e ombreggiatura, L'ALD è parte integrante della produzione di chip e dispositivi elettronici. Lo stesso processo in fase gassosa può essere applicato in un reattore a letto di polvere rotante o fluidizzante per far crescere film di spessore nanometrico che sono altamente conformabili e spessi uniformemente sulle singole particelle.
Rappresentazione artistica della precedente comprensione di p-ALD (a sinistra) e nuova comprensione di p-ALD (a destra) acquisita dal lavoro di NRL, così come le implicazioni per le applicazioni proattive che utilizzano la deposizione di strati atomici di particelle, che come UV, vengono catturati nelle celle solari e nelle vernici resistenti all'abrasione. Credito:Laboratorio di ricerca navale degli Stati Uniti
Ricerche precedenti su p-ALD, brevettato da ALD NanoSolutions, Inc., ha dimostrato che la crescita di ogni strato durante il processo di deposizione varia con la dimensione delle particelle, con l'assunto sottostante che le particelle più grandi avranno sempre una crescita minore. Per osservare questo fenomeno di crescita, il team dell'NRL ha coltivato allumina su particelle di tungsteno di dimensioni nanometriche e micron e ha misurato lo spessore del guscio in un microscopio elettronico a trasmissione. A causa dell'enorme differenza di massa/densità dei due materiali, questo accoppiamento fornisce il massimo contrasto nel microscopio elettronico e la delineazione era facilmente distinguibile tra il nucleo della particella e il guscio.
Nella loro ricerca, gli scienziati hanno creato polveri di nucleo e guscio costituite da un nucleo di particelle di tungsteno e un sottile guscio di allumina che sono state poi sintetizzate utilizzando la deposizione di strati atomici in un reattore rotante. La deposizione di strati atomici standard di trimetilalluminio e acqua è stata eseguita su lotti variabili di polvere con diverse dimensioni medie delle particelle.
"Incredibilmente, abbiamo scoperto che la crescita per ciclo del film di allumina su una singola particella in un lotto si è dimostrata indipendente dalla dimensione di una singola particella, e quindi, un lotto di polvere, che consiste in dimensioni delle particelle che abbracciano ordini di grandezza, ha spessori di guscio costanti su tutte le particelle. Questo risultato sconvolge l'attuale comprensione dell'ALD sulle particelle, " ha detto il dottor Kedar Manandhar, Postdottorato ASEE, NRL Electronics Science and Technology Division e autore principale del documento di ricerca.
Il lavoro, pubblicato di recente su Journal of Vacuum Science and Technology A , suggerisce che l'acqua, un reagente nel processo ALD, è la ragione per lo stesso tasso di crescita su particelle diverse. Questa uniformità di spessore su diverse dimensioni delle particelle in un particolare lotto è determinata dalla difficoltà di rimuovere le molecole d'acqua residue dalla polvere durante il ciclo di spurgo del processo di deposizione dello strato atomico (ALD). "L'acqua è molto appiccicosa ed è molto difficile rimuovere l'ultimo monostrato dalle superfici, " Dice Feygelson. "E quando hai un letto di polveri che cade, l'acqua si attacca tra le particelle e si traduce in una crescita costante del guscio nella polvere che cade.
Le applicazioni per questa ricerca dimostrano implicazioni per l'uso in materiali come vernici resistenti all'abrasione, catalizzatore ad alta superficie, barriere a tunnel di elettroni, adsorbimento o cattura dell'ultravioletto in filtri solari o celle solari e anche oltre quando le nanoparticelle core-shell sono utilizzate come elementi costitutivi per creare nuovi solidi nanostrutturati artificiali con proprietà senza precedenti.
