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粉末工程的革命 —— 粉末型原子层沉积(PALD)设备选型

 发布时间:2021-08-20 点击量:669

粉末技术经过多年的发展,已经形成多样化的制备及加工技术。其中,表面包覆技术作为提升粉末物理化学性能的重要手段,长期一来一直缺乏有效的精密手段。传统的液相包覆或气相包覆手段都无法实现均匀以及厚度的精密控制,限制了包覆技术的进一步发展。原子层沉积技术(ALD)是一种自限制性的化学气相沉积手段,通过将目标反应拆解为若干个半反应,实现表面涂层的原子层级厚度控制。利用该技术制备的涂层具有:共形,无针孔,均匀的特点,对于复杂的表面界面以及高纵深比样品有较好的沉积效果。

 

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各类包覆技术对于涂层厚度控制以及适用的颗粒粒径范围

 

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ALD 技术制备的薄膜更均匀(左:溶胶凝胶法;右:ALD)

 

平面 ALD 与 PALD(粉末)设备的区别

 

平面 ALD 技术自上世纪九十年代被广泛应用于半导体行业以来,其工艺开发愈发成熟,形成了多样化的 ALD 技术。一直以来,使用 ALD 技术实现粉末的包覆都是行业难题,粉末材料超高的比表面积决定了前驱体的使用量会几何级增加,每个循环的时间更长,因此前驱体注入系统需要实现大批量前驱体的精准注入,这对腔室设计有较高的要求。而平面 ALD 设备的腔室设计主要是为了促进前驱体的扩散,提高工艺效率,因此腔室尽可能设计的更小,这不利于粉末样品与前驱体的接触。

 

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平面 ALD(a),粉末流化床(b),粉末旋转床(c)

 

ALD 技术可以适用从纳米到毫米级的粉末,实现从单原子层到纳米级的涂层包覆,是一种理想的包覆手段。在经过科学家的不懈努力后,用于粉末材料的 ALD 包覆技术也日渐成熟。目前商业化的实现方案包括:流化床,旋转床,振动床。通过原子层沉积技术实现高质量粉末包覆(PALD)【点击查看详细信息🔎】,并且已经发展出可实现吨级处理量的工业化包覆技术。

 

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使用平面 ALD 进行粉末处理时会导致质量较差的包覆效果

 

这种精度*的包覆技术已经被证明可用于多种组分以及纳米结构的制备,配合刻蚀还可进行复杂结构的制备。包括:单原子 / 团簇催化剂,锂电材料表面包覆,药物制剂流动性改善,金属粉末表面钝化,以及选择性原子层沉积等。

 

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ALD 技术已被验证可制备无机以及有机的涂层

 

理想的粉末分散技术包括:流化床,旋转床以及振动床技术。通过粉末的分散,避免因为物理团聚或烧结引起包覆效果不佳。Forge Nano 则是全球唯可提供多种粉末包覆方案实验室到工业量产解决方案的供应商。自 2013 年成立以来,Forge Nano 已经具备有自主知识产权的专业化设备方案,可实现从毫克到千吨级的粉末包覆处理量。基于原子层沉积技术的粉末包覆需要成熟的工艺,前期的研发十分重要,Forge Nano 推出两款用于研发的 ALD 工具,可帮助使用者快速进行包覆工艺的研究。

 

设备型号:P 系列流化床 PALD 系统

 

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推荐指数:★★★★★
功能特点:采用流化床反应腔,专为粉末 ALD 设计,可实现粉末材料的均匀包覆
适用领域:锂电电极材料,负载型催化剂,药物制剂,金属粉末等
腔室:1g—5kg,可更换腔室
前驱体通道:2-8(最多 4 路低蒸汽压前驱体通道)

 

P 系列 ALD 系统是专为粉末包覆设计的一款研发级工具,流化床技术是实现粉末分散和前驱体反应的理想方式。对于致力于进行工业级量产的粉末材料,可以将经 P 系列研发级流化床系统验证过的包覆工艺进行放大,扩展到工业生产规模。

 

设备型号:Pandora 多功能原子层沉积系统

 

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推荐指数:★★★★★
功能特点:采用旋转床反应器,粉末在重力与离心力的共同作用下实现分散。通过精确的前驱体注入,实现高效的利用以及均匀的包覆效果。
适用领域:粉末类样品,平面类样品(已通过 cGMP 认证)
腔室:100ml
前驱体通道:3-6

使用操作简单,兼容性强,适合在前期快速开展粉末包覆和平面样品薄膜沉积的研究。
 

Forge Nano 工业化放大方案

 

原子层沉积技术由于反应自身的特性,受限于产量与成本,一直以来难以实现工业化的应用。Forge Nano 基于空间原子层沉积技术,实现连续化生产,增加了粉末的处理量。

 

流化床技术路线

 

经过 P 系列验证的工艺,可以通过与 Forge Nano 合作进行放大生产,最高可实现每日吨级的处理量。这一方式可以极大地减少粉末包覆的处理成本(<$1/kg,每日处理量吨级)。

 

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旋转床技术路线

 

旋转床技术对于产量要求不高或者部分较难流化的粉体的包覆有较大优势。Forge Nano 的 Lithos 可提供批次最高 5 吨的包覆处理量。

 

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振动床技术

 

振动床可实现真正的连续化生产,粉末在轴带上不断运动,完成每小时 100-4000kg 的粉末处理量。基于空间原子层沉积技术,可实现运动速度,振动频率的调整。

 

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应用领域

 

1. 催化

 

Forge Nano 与美国国家再生能源实验室,阿贡实验室合作,开发新一代催化剂材料。通过 ALD 技术,实现 Pd / Al2O3 催化剂更高的稳定性,在高温条件下,可避免催化剂的烧结,从而使实现稳定的芳烃氢化反应 [1]

 

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TiO2 的包覆促进催化剂的稳定

 

在另一项同样来自美国国家可再生能源实验室的研究中,使用高通量的 ALD 技术构筑 Pt 催化剂涂层,可实现 Ni / Co 纳米线材料的高效催化,并防止金属元素浸出损耗 [2]

 

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纳米线的催化剂涂层促进高效催化

 

2. 动力电池电极材料包覆

 

以锂离子电池为代表的电池材料,在充放电时存在容量不可逆转的下降,甚至引起安全事故。对电极材料的包覆处理是从源头改善电池性能的重要手段。通过包覆常规的氧化物、以及钛 / 铝的有机杂化涂层,可以明显提升电池的电化学性能,并提升其安全性。

 

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ALD 包覆后的高压性能有明显提升,同时其热失控风险降低

 

3. 粉末冶金

 

粉末冶金利用粉末材料铸造型材,这对粉末材料的流动性和分散性有较高的要求。在粉末熔融的过程中,团聚颗粒以及天然氧化层中的杂质对于最终型材的质量会有较大影响。通过 ALD 技术进行粉末包覆后,材料的抗侵蚀,耐潮性,流动性有明显改善,同时涂层成分的变化还可以赋予粉末功能,如改变其反射率,亲水性等,扩大应用场景 [3]

 

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ALD 包覆对于粉末性能的改善

 

4. 制药

 

药物粉末尤其是 API,通常为无定形或水合物状态,极易发生团聚。通过 ALD 包覆,可有效改善其分散系和流动性,这对于吸入式药物制剂的研发有重要的促进作用。药物亲水性的调控对其在人体体液中的释放有积极意义,而 ALD 只需几个周期的涂层就可实现不同亲水性或亲油性的样品包覆。

 

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此外,对于部分热敏感的药物,通过 ALD 包覆可以提升其热稳定性,防止其发生热解,。一项合作研究表明,将经过 ALD 包覆处理的 HPV 疫苗用于单次给药实验,实现了小鼠体内更为持久的抗原反应 [4]

 

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ALD 包覆后的疫苗拥有更高的热稳定性和更持久的药效

 

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邮箱:info@phenom-china.com

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