一種用于微納米顆粒表面修飾的裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種用于微納米顆粒表面修飾的裝置，包括：反應(yīng)腔，其內(nèi)部形成的空腔用于作為前驅(qū)體與微納米顆粒的反應(yīng)空間；多個(gè)前驅(qū)體供應(yīng)裝置，其分別通過(guò)管道與所述反應(yīng)腔相通以提供不同的前驅(qū)體；載氣輸送系統(tǒng)，前驅(qū)體通過(guò)該載氣輸送系統(tǒng)輸出的載氣輸送到反應(yīng)腔中；以及粉體顆粒裝載裝置，用于承載待修飾的微納米顆粒；通過(guò)多個(gè)前驅(qū)體供應(yīng)裝置分別向反應(yīng)腔交替地輸送前驅(qū)體，并進(jìn)入旋轉(zhuǎn)的粉體顆粒裝載裝置中以與微納米顆粒表面接觸進(jìn)行原子層沉積反應(yīng)，從而在微納米顆粒的表面形成包覆薄膜，實(shí)現(xiàn)表面修飾。本發(fā)明還公開(kāi)了利用上述裝置進(jìn)行微納米顆粒的表面修飾的方法。本發(fā)明可以獲得顆粒表面高均勻性的包覆層，并提高粉體顆粒的整體包覆率和前驅(qū)體的利用率。
【專利說(shuō)明】-種用于微納米顆粒表面修飾的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于粉體顆粒表面包覆【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種用于微納米顆粒表面修飾 的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 相比塊體材料，粉體顆粒材料具有大比表面積和高表面活性，具有傳統(tǒng)固體材料 所不具備的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子隧道效應(yīng)，引發(fā)了結(jié)構(gòu)和能態(tài)的變化，可以產(chǎn)生許 多獨(dú)特的光、熱、電、磁、力學(xué)、催化等物理化學(xué)特性。
[0003] 介于其巨大的比表面積，通過(guò)合適的表面修飾，能進(jìn)一步拓展及提高其優(yōu)良性 能。微納米顆粒表面修飾的主要方法是根據(jù)需要在顆粒表面包覆一層薄膜，形成核-殼結(jié) 構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)可以使納米顆粒具有更好的穩(wěn)定性、耐候性、以及優(yōu)良的物理化學(xué)特性。同 時(shí)，表面修飾也有助于對(duì)微納米尺度物質(zhì)的認(rèn)識(shí)。
[0004] 目前，微納米粉體包覆技術(shù)依照反應(yīng)體系的狀態(tài)可以分為固相法、液相法和氣相 法。固相法主要是通過(guò)機(jī)械作用、高溫煅燒或高能離子束對(duì)顆粒表面進(jìn)行激活，使之吸附其 他物質(zhì)而達(dá)到表面的包覆。但由于機(jī)械混合實(shí)現(xiàn)的核-殼結(jié)構(gòu)的結(jié)合力不強(qiáng)，高能束激勵(lì) 下容易形成厚度和成分不均勻的包覆，且要求粉體顆粒具有單一分散性等問(wèn)題，該方法總 體應(yīng)用較為有限。液相法包括異質(zhì)絮凝法、溶膠凝膠法、聚合物包覆法、沉淀法等，具有設(shè)備 簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)勢(shì)，它是微納米顆粒表面包覆技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的方法，但存在反應(yīng)過(guò)程 比較復(fù)雜、包覆的厚度和成分不易精確控制，成膜純度和致密性不夠高等缺點(diǎn)。
[0005] 氣相法主要包括物理氣相沉積法和化學(xué)氣相沉積法。前者借助范德華力的作用實(shí) 現(xiàn)顆粒包覆，核-殼結(jié)合力不強(qiáng)，而化學(xué)氣相沉積法則是利用氣態(tài)物質(zhì)在納米顆粒表面反 應(yīng)生成固態(tài)沉積物而達(dá)到納米顆粒的包覆，已有較為完善的沉積理論，并且可以在任何形 狀的表面進(jìn)行包覆，膜層的純度高。作為一種特殊的化學(xué)氣相沉積技術(shù)，原子層沉積技術(shù)可 以在納米級(jí)尺度上精確控制物質(zhì)成分和形貌，將被沉積物質(zhì)以單原子膜的形式一層一層的 鍍?cè)谖矬w表面，具有極高的沉積均勻性，通過(guò)控制反應(yīng)交替循環(huán)的次數(shù)，實(shí)現(xiàn)薄膜厚度的納 米級(jí)可控生長(zhǎng)。利用原子層沉積技術(shù)在微納米顆粒表面進(jìn)行納米尺度的致密包覆，可精確 包覆厚度及組分，并具有良好的保形性。
[0006] 目前已有的粉體顆粒表面修飾設(shè)備或方法主要采用流化的方式，然而，由于原子 層沉積技術(shù)根植于傳統(tǒng)的平面薄膜生長(zhǎng)技術(shù)，現(xiàn)有裝置和方法對(duì)于微納米顆粒表面沉積的 適用性還有待進(jìn)一步提高，主要體現(xiàn)與平面基底沉積工藝相比有顯著差別，而且沉積過(guò)程 中粉體顆粒由于團(tuán)聚而分散困難，這造成了原子層沉積高均勻性的優(yōu)勢(shì)在顆粒表面包覆中 不能充分發(fā)揮，包覆效率較低、前驅(qū)體利用可能不夠充分。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 本發(fā)明的主要目的在于提供一種用于微納米顆粒表面修飾的裝置和方法，能夠充 分利用原子層沉積技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，可以獲得顆粒表面高均勻性的包覆層，并提高粉體顆粒的 整體包覆率和前驅(qū)體的利用率。
[0008] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種用于微納米顆粒表面 修飾的裝置，通過(guò)利用載氣輸送的多種前驅(qū)體進(jìn)行原子層沉積，在微納米顆粒的表面形成 包覆薄膜，實(shí)現(xiàn)表面修飾，其特征在于，該裝置包括：
[0009] 反應(yīng)腔，其內(nèi)部形成的空腔用于作為前驅(qū)體與微納米顆粒的反應(yīng)空間；
[0010] 多個(gè)前驅(qū)體供應(yīng)裝置，其分別通過(guò)管道與所述反應(yīng)腔相通，用于分別向反應(yīng)腔體 中提供不同的前驅(qū)體；
[0011] 載氣輸送系統(tǒng)，其設(shè)置在所述前驅(qū)體供應(yīng)裝置的管道上，所述前驅(qū)體通過(guò)該載氣 輸送系統(tǒng)輸出的載氣輸送到反應(yīng)腔中；以及
[0012] 粉體顆粒裝載裝置，其容置在所述反應(yīng)腔中并可在其中軸向旋轉(zhuǎn)，用于承載待修 飾的微納米顆粒，該粉體顆粒裝載裝置一端與位于反應(yīng)腔外的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，另一端 與反應(yīng)腔外的真空系統(tǒng)連接；
[0013] 通過(guò)所述多個(gè)前驅(qū)體供應(yīng)裝置分別向所述反應(yīng)腔交替地輸送前驅(qū)體，并進(jìn)入所述 旋轉(zhuǎn)的粉體顆粒裝載裝置中以與微納米顆粒接觸進(jìn)行原子層沉積反應(yīng)，從而在微納米顆粒 的表面形成包覆薄膜，實(shí)現(xiàn)表面修飾。
[0014] 作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述粉體顆粒裝載裝置為兩層圓筒套裝而成，內(nèi)外兩層筒壁 均為微米級(jí)孔徑的不銹鋼粉末燒結(jié)濾網(wǎng)，筒體兩端面設(shè)置有蓋板，并通過(guò)螺柱相互連接以 將雙層圓柱狀濾網(wǎng)夾緊，保證粉體顆粒不會(huì)從顆粒裝載裝置中漏出，筒體兩端的蓋板分別 通過(guò)磁流體密封裝置與真空系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接。
[0015] 作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述前驅(qū)體供應(yīng)裝置包括存儲(chǔ)前驅(qū)體源的前驅(qū)體鋼瓶、設(shè)置 在前驅(qū)體鋼瓶與反應(yīng)腔連接的管道上的前驅(qū)體快速響應(yīng)閥門(mén)，在前驅(qū)體快速響應(yīng)閥門(mén)與鋼 瓶之間的手動(dòng)針閥，通過(guò)各前驅(qū)體供應(yīng)裝置上的快速響應(yīng)閥門(mén)的交替開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)不同前驅(qū) 體交替進(jìn)入反應(yīng)腔，通過(guò)手動(dòng)針閥的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)輸入的前驅(qū)體脈沖壓力大小的控制。
[0016] 作為本發(fā)明的改進(jìn)，還具有加熱與溫度控制系統(tǒng)，包括設(shè)置在腔體內(nèi)部的環(huán)形加 熱器、前驅(qū)體供應(yīng)系統(tǒng)上的加熱裝置以及溫度傳感器，其中，環(huán)形加熱器和加熱裝置分別用 于為反應(yīng)腔、和前驅(qū)體供應(yīng)裝置加熱，所述溫度傳感器用于測(cè)量反應(yīng)腔的溫度。
[0017] 作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述真空系統(tǒng)包括真空、節(jié)流閥和磁流體密封裝置，其中所述 真空泵用于對(duì)反應(yīng)腔抽真空，保證反應(yīng)環(huán)境的潔凈并清除反應(yīng)副產(chǎn)物與多余的前驅(qū)體，所 述磁流體密封裝置與粉體顆粒裝載裝置連接，用于使得反應(yīng)腔中氣流通過(guò)該粉體顆粒裝載 裝置被抽出，所述節(jié)流閥設(shè)置在磁流體密封裝置下游，用于控制通過(guò)粉體顆粒裝載裝置中 粉體顆粒層的氣流流速。
[0018] 作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電機(jī)、聯(lián)軸器、磁流體密封裝置，其中 磁流體密封裝置與反應(yīng)腔相連，電機(jī)通過(guò)與其相連的聯(lián)軸器傳動(dòng)給磁流體密封裝置的轉(zhuǎn) 軸，從而驅(qū)動(dòng)與該轉(zhuǎn)軸連接的粉體顆粒裝載裝置旋轉(zhuǎn)。
[0019] 本發(fā)明中，前驅(qū)體供應(yīng)系統(tǒng)連接反應(yīng)腔體系統(tǒng)，粉體顆粒裝載裝置置于反應(yīng)腔體 內(nèi)部，粉體顆粒裝載裝置一端連接真空系統(tǒng)，另一端連接旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)。前驅(qū)體供應(yīng)系 統(tǒng)與反應(yīng)腔體系統(tǒng)的連接管路上連接有載氣輸送系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)包括設(shè)置在腔體內(nèi)部和前 驅(qū)體供應(yīng)系統(tǒng)上的加熱裝置。
[0020] 前驅(qū)體供應(yīng)系統(tǒng)包括兩條或兩條以上并聯(lián)支路，分別提供不同前驅(qū)體作為反應(yīng)氣 體，其主要部件包括單端或雙端前驅(qū)體鋼瓶、前驅(qū)體快速響應(yīng)閥門(mén)，在前驅(qū)體快速響應(yīng)閥門(mén) 與鋼瓶之間的手動(dòng)針閥。前驅(qū)體快速響應(yīng)閥門(mén)為常閉閥門(mén)，最小開(kāi)啟時(shí)間可達(dá)5ms。本發(fā)明 中，反應(yīng)腔體由左中右通過(guò)無(wú)氧銅墊片密封的三部分組成，三個(gè)部分通過(guò)螺栓螺母進(jìn)行連 接。外腔左部在操作中用于拆開(kāi)，取出外腔內(nèi)部的粉體顆粒裝載裝置。外腔中部上下兩側(cè) 有兩個(gè)法蘭接口，分別用于連接真空系統(tǒng)中的壓力計(jì)和測(cè)溫系統(tǒng)的溫度傳感器，用于檢測(cè) 腔體內(nèi)部的壓力和溫度。外腔中部左右兩側(cè)與不同的前驅(qū)體供應(yīng)系統(tǒng)相連接。腔體左右兩 個(gè)部分的內(nèi)側(cè)安裝有加熱器。反應(yīng)腔體可優(yōu)選的為圓柱體設(shè)計(jì)，有利于內(nèi)部溫度均勻性和 氣流的均勻分布。
[0021] 本發(fā)明中，粉體顆粒裝載裝置采用雙層圓柱狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)外兩側(cè)為微米級(jí)孔徑的不 銹鋼粉末燒結(jié)濾網(wǎng)，兩端的不銹鋼端面一個(gè)與腔體一側(cè)的真空系統(tǒng)中的磁流體密封裝置相 連，另一個(gè)與腔體另一側(cè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的磁流體密封裝置連接。兩端面通過(guò)螺柱將雙 層圓柱狀濾網(wǎng)夾緊，保證粉體顆粒不會(huì)從顆粒裝載裝置中漏出，它們與磁流體密封裝置通 過(guò)螺紋進(jìn)行安裝。
[0022] 按照本發(fā)明的另一方面，提供一種利用上述用于微納米顆粒表面修飾的裝置進(jìn)行 微納米顆粒表面修飾的方法，其通過(guò)利用載氣輸送的多種前驅(qū)體進(jìn)行原子層沉積，在微納 米顆粒的表面形成包覆薄膜，實(shí)現(xiàn)表面修飾，其特征在于，該方法包括：
[0023] 在一定的原子層沉積（ALD)反應(yīng)溫度下，利用所述真空系統(tǒng)對(duì)反應(yīng)腔抽真空；
[0024] 粉體顆粒裝載裝置在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)其中的粉體顆粒旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)；
[0025] 多種前驅(qū)體在載氣帶動(dòng)下交替進(jìn)入反應(yīng)腔，并穿過(guò)所述粉體顆粒裝載裝置外側(cè)濾 網(wǎng)后在粉體顆粒表面發(fā)生化學(xué)吸附；
[0026] 在真空系統(tǒng)的真空泵的作用下利用載氣清掃多余的前驅(qū)體及反應(yīng)副產(chǎn)物，從而得 到所需的進(jìn)行了表面修飾的微納米顆粒。
[0027] 作為本發(fā)明的改進(jìn)，每一種前驅(qū)體的吸附具體過(guò)程為：當(dāng)前驅(qū)體脈沖通入反應(yīng)腔 體后，真空系統(tǒng)的真空泵停止抽氣，保持反應(yīng)腔體內(nèi)的壓力環(huán)境，隨粉體顆粒裝載裝置進(jìn)行 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的微納米顆粒在上升到一定高度后由于重力的作用自由落體，粉體顆粒在下落的 過(guò)程中互相分散，其各自表面均勻吸附該前驅(qū)體，
[0028] 作為本發(fā)明的改進(jìn)，保壓時(shí)間與粉體顆粒的比表面積的大小相關(guān)，優(yōu)選為10? 120s，這樣增加了前驅(qū)體與粉體顆粒表面的接觸時(shí)間，促進(jìn)了吸附的充分進(jìn)行。
[0029] 作為本發(fā)明的改進(jìn)，前驅(qū)體脈沖時(shí)間與粉體顆粒的比表面積的大小相關(guān)，表面積 越大，脈沖時(shí)間越長(zhǎng)，一般為10?180s/m 2,保證所有表面的吸附充分。
[0030] 作為本發(fā)明的改進(jìn)，粉體顆粒裝載裝置的轉(zhuǎn)速優(yōu)選為30?160rpm，這樣增加了前 驅(qū)體與粉體顆粒表面的接觸時(shí)間，促進(jìn)了吸附的充分進(jìn)行。
[0031] 作為本發(fā)明的改進(jìn)，每一種前驅(qū)體的吸附具體過(guò)程為：以較高的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)粉體顆 粒裝載裝置，粉體顆粒由于很大的離心力隨之一起進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，前驅(qū)體隨著較大流量的 載氣一起輸入到反應(yīng)腔體中，從粉體顆粒裝載裝置的外側(cè)濾網(wǎng)沿徑向通過(guò)粉體顆粒層并吸 附在顆粒表面，調(diào)整通過(guò)粉體顆粒層的氣流流速，利用分別與反應(yīng)腔體和排氣口上游相連 接的壓力計(jì)檢測(cè)粉體顆粒層兩側(cè)的壓力差，當(dāng)該壓力差達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，其對(duì)粉體顆粒產(chǎn)生的 壓力梯度力和粉體所受的離心力相平衡，從而實(shí)現(xiàn)粉體顆粒的分散，促進(jìn)前驅(qū)體吸附的均 勻性。
[0032] 作為本發(fā)明的改進(jìn)，粉體顆粒裝載裝置的轉(zhuǎn)速優(yōu)選為160?900rpm。
[0033] 作為本發(fā)明的改進(jìn)，通過(guò)粉體顆粒層的氣流流速優(yōu)選為30?500cm/s。
[0034] 作為本發(fā)明的改進(jìn)，反應(yīng)腔體系統(tǒng)的溫度在室溫至550°C范圍內(nèi)。
[0035] 本發(fā)明的微納米顆粒的表面修飾方法在實(shí)際進(jìn)行中采用保壓沉積方法進(jìn)行粉體 顆粒表面修飾。具體是，當(dāng)前驅(qū)體脈沖通入反應(yīng)腔體后，關(guān)閉真空系統(tǒng)的真空泵，停止抽氣， 保持反應(yīng)腔體內(nèi)的壓力環(huán)境，隨粉體顆粒裝載裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的微納米顆粒在上升到一 定高度后由于重力的作用自由落體，粉體顆粒在下落的過(guò)程中互相分散，其各自表面均勻 吸附前驅(qū)體，保壓過(guò)程結(jié)束后真空泵將反應(yīng)副產(chǎn)物與多余的前驅(qū)體抽走，接著以同樣的方 式進(jìn)行第二種前驅(qū)體的吸附；
[0036] 本發(fā)明中的微納米顆粒的表面修飾方法在實(shí)際進(jìn)行中采用平衡分散沉積方法進(jìn) 行粉體顆粒表面修飾，具體是，以較高的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)粉體顆粒裝載裝置，粉體顆粒由于很大的 離心力隨之一起進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，前驅(qū)體隨著較大流量的載氣一起輸入到反應(yīng)腔體中，從粉 體顆粒裝載裝置的外側(cè)濾網(wǎng)沿徑向通過(guò)粉體顆粒層并吸附在顆粒表面，調(diào)整通過(guò)粉體顆粒 層的氣流流速，利用分別與反應(yīng)腔體和排氣口上游相連接的壓力計(jì)檢測(cè)粉體顆粒層兩側(cè)的 壓力差，當(dāng)該壓力差達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，其對(duì)粉體顆粒產(chǎn)生的壓力梯度力和粉體所受的離心力相 平衡，從而實(shí)現(xiàn)粉體顆粒的分散，促進(jìn)前驅(qū)體吸附的均勻性。該方法較大的轉(zhuǎn)速還有助于減 小粉體顆粒所形成的團(tuán)聚體的尺寸，以進(jìn)一步增大反應(yīng)表面積，提高前驅(qū)體的利用率。
[0037] 進(jìn)一步的，前驅(qū)體脈沖時(shí)間與粉體顆粒的總表面積的大小相關(guān)，表面積越大，脈沖 時(shí)間越長(zhǎng)，一般為10?180s/m 2,保證所有表面的吸附充分。
[0038] 進(jìn)一步的，在保壓沉積方法中，保壓時(shí)間與粉體顆粒的比表面積的大小相關(guān)，比表 面積越大，保壓時(shí)間越長(zhǎng)，一般為10?120s，這樣增加了前驅(qū)體與粉體顆粒表面的接觸時(shí) 間，促進(jìn)了吸附的充分進(jìn)行。
[0039] 進(jìn)一步的，在保壓沉積方法中，粉體顆粒裝載裝置的轉(zhuǎn)速不宜過(guò)快，使得粉體顆粒 可以在旋轉(zhuǎn)到一定高度后下落，一般選取轉(zhuǎn)速為30?160rpm。
[0040] 進(jìn)一步的，在平衡分散沉積方法中，粉體顆粒裝載裝置的轉(zhuǎn)速較快，使得粉體顆粒 始終隨著裝載裝置進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)而不會(huì)下落，一般選取轉(zhuǎn)速為160?900rpm。
[0041] 進(jìn)一步的，在平衡分散沉積方法中，通過(guò)控制攜帶前驅(qū)體的載氣的流量以及利用 排氣口上游的節(jié)流閥調(diào)整通過(guò)粉體顆粒層的氣流流速以達(dá)到最終穩(wěn)定的壓力差，所用轉(zhuǎn)速 越高，實(shí)現(xiàn)平衡的所需流速越大。一般采用流速為30?500cm/s。
[0042] 進(jìn)一步的，反應(yīng)腔體系統(tǒng)的溫度為室溫至550°C。
[0043] 總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于采用原子層 沉積技術(shù)，可以保證微納米粉體顆粒在沉積過(guò)程中優(yōu)良的分散性，減小粉體團(tuán)聚體的尺寸， 從而增大參與反應(yīng)的表面積，實(shí)現(xiàn)顆粒表面對(duì)前驅(qū)體的均勻、充分吸附。具體地，能夠取得 下列有益效果：
[0044] (1)在該微納米顆粒表面修飾的裝置中利用離心作用下的保壓沉積方法，能夠在 分散粉體顆粒的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)前驅(qū)體與粉體顆粒表面的長(zhǎng)時(shí)間接觸，前驅(qū)體吸附充分均勻， 保證了表面沉積薄膜的均勻性，同時(shí)提高了前驅(qū)體的利用率。
[0045] (2)在該微納米顆粒表面修飾的裝置中利用離心作用下的平衡分散沉積方法，能 夠一定程度上減小微納米顆粒所形成的團(tuán)聚體的尺寸，同時(shí)保證分散性，增大了參與反應(yīng) 的比表面積，增大了所修飾表面的面積，促進(jìn)了前驅(qū)體的充分均勻吸附，提高了沉積薄膜的 均勻性并能夠增加批次處理量。
[0046] (3)在該微納米顆粒表面修飾的裝置中前驅(qū)體和載氣氣流通過(guò)粉體顆粒裝載裝置 的外側(cè)濾網(wǎng)沿徑向通過(guò)粉體顆粒層，而從內(nèi)側(cè)濾網(wǎng)被抽出，在高轉(zhuǎn)速下該氣流同時(shí)與離心 力平衡，避免了氣流沿軸向流動(dòng)的設(shè)計(jì)中粉體顆粒易于堆積在抽氣一側(cè)濾網(wǎng)表面的缺陷， 能夠充分發(fā)揮離心作用對(duì)于顆粒表面沉積均勻性和充分性的改善效果。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0047] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例的一種用于微納米顆粒表面修飾裝置的整體系統(tǒng)示意圖；
[0048] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例的粉體顆粒裝載裝置外觀圖；
[0049] 圖3是粉體顆粒裝載裝置軸向剖視圖；
[0050] 圖4是粉體顆粒裝載裝置徑向剖視圖；
[0051] 圖5是粉體顆粒裝載裝置三維示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0052] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0053] 如圖1所示，一種微納米顆粒的表面修飾裝置，包括真空系統(tǒng)、反應(yīng)腔體、粉體顆 粒裝載裝置、前驅(qū)體供應(yīng)、加熱及溫控系統(tǒng)、載氣輸送系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。 前驅(qū)體供應(yīng)系統(tǒng)連接反應(yīng)腔體，粉體顆粒裝載裝置置于反應(yīng)腔體內(nèi)部，粉體顆粒裝載裝置 一端連接真空系統(tǒng)，另一端連接旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)。
[0054] 在前驅(qū)體供應(yīng)系統(tǒng)與反應(yīng)腔體通過(guò)載氣輸送系統(tǒng)連接，載氣輸送管路上安裝有質(zhì) 量流量控制器5。
[0055] 前驅(qū)體供應(yīng)系統(tǒng)包括兩條或兩條以上并聯(lián)的前驅(qū)體支路，分別提供不同的前驅(qū)體 源，其主要部件包括前驅(qū)體快速響應(yīng)閥門(mén)6和前驅(qū)體鋼瓶8,在前驅(qū)體快速響應(yīng)閥門(mén)與鋼瓶 之間的手動(dòng)針閥7。前驅(qū)體快速響應(yīng)閥門(mén)6為常閉閥門(mén)，最小開(kāi)啟時(shí)間可達(dá)5ms。各個(gè)快速 響應(yīng)閥門(mén)交替開(kāi)啟，其各自支路的鋼瓶?jī)?nèi)的前驅(qū)體交替進(jìn)入反應(yīng)腔體系統(tǒng)內(nèi)部。
[0056] 反應(yīng)腔體由左中右三部分組成，通過(guò)無(wú)氧銅墊片2密封。腔體左部在操作中用于 拆開(kāi)，取出外腔內(nèi)部的粉體顆粒裝載裝置3。外腔中部上下兩側(cè)有兩個(gè)法蘭接口，分別用于 連接真空系統(tǒng)中的壓力計(jì)14和測(cè)溫系統(tǒng)的溫度傳感器4,用于檢測(cè)腔體內(nèi)部的壓力和溫 度。外腔中部左右兩側(cè)與不同的前驅(qū)體供應(yīng)系統(tǒng)相連接。腔體左右兩個(gè)部分的內(nèi)側(cè)安裝有 環(huán)形加熱器16。反應(yīng)腔體左部與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的磁流體密封裝置18相連接，反應(yīng)腔體 右部與真空系統(tǒng)的磁流體密封裝置9相連接。
[0057] 加熱與溫度控制系統(tǒng)包括設(shè)置在腔體內(nèi)部的環(huán)形加熱器16和前驅(qū)體供應(yīng)系統(tǒng)上 的加熱裝置15以及溫度傳感器14。環(huán)形加熱器16和前驅(qū)體供應(yīng)系統(tǒng)上的加熱裝置15分 別為反應(yīng)腔體1和前驅(qū)體鋼瓶8、前驅(qū)體快速響應(yīng)閥門(mén)6和前驅(qū)體支路的管路加熱。溫度傳 感器14測(cè)量反應(yīng)腔體1內(nèi)部的溫度。
[0058] 如圖2、3、4、5所示，粉體顆粒裝載裝置采用雙層圓柱狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)外兩側(cè)為微米級(jí) 孔徑的不銹鋼粉末燒結(jié)濾網(wǎng)24、26,孔徑優(yōu)選為5?10微米，兩端的不銹鋼端面21、25通 過(guò)螺柱22和螺母23將雙層圓柱狀濾網(wǎng)夾緊，保證粉體顆粒不會(huì)從顆粒裝載裝置中漏出，通 過(guò)拆除這兩個(gè)端面與螺柱的連接來(lái)取出完成了表面修飾的粉體顆粒。端面25與真空系統(tǒng) 中的磁流體密封裝置9相連，端面21與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的磁流體密封裝置18連接。
[0059] 真空系統(tǒng)包括真空泵12、電磁閥11、節(jié)流閥10和磁流體密封裝置9。磁流體密封 裝置9保證反應(yīng)腔體1中的氣流完全通過(guò)粉體顆粒裝載裝置3被抽出，而不是直接被真空 泵12抽走。節(jié)流閥10與磁流體密封裝置9下游直接連接，用于控制通過(guò)粉體顆粒裝載裝 置3中粉體顆粒層的氣流流速。電磁閥11接在節(jié)流閥之后，決定對(duì)反應(yīng)腔體1抽氣與否， 真空泵12負(fù)責(zé)把反應(yīng)腔體1的壓力抽到ALD反應(yīng)所需的真空度，保證反應(yīng)環(huán)境的潔凈并清 除反應(yīng)副產(chǎn)物與多余的前驅(qū)體。
[0060] 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)包括電機(jī)20、聯(lián)軸器19、磁流體密封裝置18以及軸承17。電 機(jī)20提供驅(qū)動(dòng)力，與其相連的聯(lián)軸器19用于傳動(dòng)給磁流體密封裝置18的轉(zhuǎn)軸，磁流體密 封裝置18內(nèi)部以及反應(yīng)腔體1左側(cè)部分安裝有軸承17來(lái)支撐轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)與受力。磁流體 密封裝置18與反應(yīng)腔體1相連，同時(shí)保證反應(yīng)腔體的氣密性。
[0061] 控制系統(tǒng)控制真空系統(tǒng)的開(kāi)啟與關(guān)閉、前驅(qū)體脈沖及反應(yīng)清洗的時(shí)間以及循環(huán)次 數(shù)、溫度、粉體顆粒裝載裝置9和18轉(zhuǎn)速的控制?？刂葡到y(tǒng)還包括兩個(gè)壓力計(jì)，壓力計(jì)14 與反應(yīng)腔體1相連接，壓力計(jì)13連接在真空系統(tǒng)中節(jié)流閥10的上游。
[0062] 本發(fā)明實(shí)施例的利用上述裝置對(duì)微納米顆粒的表面修飾的方法，其具體過(guò)程如 下：
[0063] 其中，原子層沉積工藝可以采用保壓沉積工藝或平衡分散沉積工藝。
[0064] 下面，首先介紹采用保壓沉積工藝的實(shí)施例：
[0065] 步驟S10 :前處理階段。將粉體顆粒放入粉體顆粒裝載裝置中，以一定的轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng) 粉體做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速選擇在30?60rpm。完全打開(kāi)真空泵前的電磁閥和節(jié)流閥對(duì)反應(yīng)腔 體進(jìn)行抽真空（真空度要求壓力小于或等于IPa)。同時(shí)對(duì)反應(yīng)腔體進(jìn)行加熱，溫度根據(jù)所 選則的反應(yīng)控制為室溫?550°C。保持這一過(guò)程至少1小時(shí)。設(shè)置管路溫度為100°C，前 驅(qū)體快速響應(yīng)閥門(mén)溫度為120°C。當(dāng)反應(yīng)腔體的顯示溫度達(dá)到所設(shè)溫度并波動(dòng)范圍不超過(guò) 1°C時(shí)可以進(jìn)行后續(xù)工藝。
[0066] 步驟S20:前驅(qū)體脈沖階段。關(guān)閉真空泵前的電磁閥以停止抽氣。擰開(kāi)前驅(qū)體鋼 瓶對(duì)應(yīng)的手動(dòng)針閥達(dá)到一定的前驅(qū)體輸出量。開(kāi)啟前驅(qū)體快速響應(yīng)閥門(mén)，開(kāi)啟時(shí)間選擇為 60?180s/m2,在其開(kāi)啟時(shí)以載氣輸送系統(tǒng)的質(zhì)量流量控制器輸入載氣20?20〇SCCm攜帶 前驅(qū)體源的飽和蒸汽通入反應(yīng)腔體。當(dāng)開(kāi)啟前驅(qū)體快速響應(yīng)閥門(mén)關(guān)閉后，停止載氣輸送系 統(tǒng)輸入載氣。在該階段通過(guò)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)給予粉體顆粒裝載裝置及其內(nèi)部的粉體旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速選擇為30?160rpm。該過(guò)程中前驅(qū)體A開(kāi)始吸附在粉體顆粒表面。
[0067] 步驟S30 :保壓吸附階段。維持在上一步中的轉(zhuǎn)速和壓力10?120s，微納米顆粒在 上升到一定高度后由于重力的作用自由落體，粉體顆粒在下落的過(guò)程中互相分散，前驅(qū)體A 充分吸附在粉體顆粒表面。
[0068] 步驟S40 :清洗階段。載氣輸入系統(tǒng)向反應(yīng)腔體輸入載氣100?lOOOsccm，同時(shí)打 開(kāi)真空泵前的電磁閥開(kāi)始抽氣，清除反應(yīng)副產(chǎn)物與多余的前驅(qū)體A，該過(guò)程維持60?180s。
[0069] 步驟S50 :按照步驟S20的方法進(jìn)行前驅(qū)體B的脈沖階段。
[0070] 步驟S60 :按照步驟S30的方法進(jìn)行前驅(qū)體B的保壓吸附。
[0071] 步驟S70 :按照步驟S40的方法進(jìn)行前驅(qū)體B的清洗階段。
[0072] 步驟S80 :按上述方法循環(huán)步驟S20?S70,循環(huán)次數(shù)取決于所需沉積的薄膜厚度。 沉積結(jié)束后即可在顆粒表面形成所需厚度的薄膜，完成對(duì)微納米顆粒的表面修飾。
[0073] 采用平衡分散沉積工藝的實(shí)施例如下：
[0074] 步驟S10' ：前處理階段。與沉積方法一中的步驟S10相同。
[0075] 步驟S20':前驅(qū)體脈沖階段。轉(zhuǎn)速選擇為180?900rpm。保持真空泵前的電磁閥 的開(kāi)啟。調(diào)整載氣工藝系統(tǒng)的載氣流量與節(jié)流閥控制通過(guò)粉體顆粒層的氣流流速，利用分 別與反應(yīng)腔體和排氣口上游相連接的壓力計(jì)檢測(cè)粉體顆粒層兩側(cè)的壓力差，以壓力差達(dá)到 穩(wěn)定時(shí)的流速進(jìn)行對(duì)粉體顆粒的分散態(tài)表面沉積，一般采用流速為30?500cm/s。對(duì)于前 驅(qū)體從鋼瓶中的輸出，方法如步驟S20,開(kāi)啟前驅(qū)體快速響應(yīng)閥門(mén)時(shí)間10?lOOs/m 2,載氣 攜帶前驅(qū)體源的飽和蒸汽通入反應(yīng)腔體。前驅(qū)體隨著載氣從粉體顆粒裝載裝置的外側(cè)濾網(wǎng) 沿徑向通過(guò)粉體顆粒層并吸附在顆粒表面。
[0076] 步驟S30'：清洗階段。除停止前驅(qū)體的輸送外均與上一步驟的條件相同。清除反 應(yīng)副產(chǎn)物與多余的前驅(qū)體A，該過(guò)程維持60?180s。
[0077] 步驟S40' ：按照步驟S20的方法進(jìn)行前驅(qū)體B的脈沖階段。
[0078] 步驟S50' ：按照步驟S30的方法進(jìn)行前驅(qū)體B的清洗階段。
[0079] 步驟S60':按上述方法循環(huán)步驟S20'?S50'，循環(huán)次數(shù)取決于所需沉積的薄膜厚 度。沉積結(jié)束后即可在顆粒表面形成所需厚度的薄膜，完成對(duì)微納米顆粒的表面修飾。
[0080] 為了更進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的裝置和方法的結(jié)構(gòu)、原理，下面結(jié)合具體的微納米顆 粒的表面修飾過(guò)程，對(duì)其做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0081] 實(shí)施例一
[0082] 對(duì)粒徑為50 μ m的A1H3顆粒表面包覆一層10nm厚的A1203薄膜以降低其撞擊感 度，提高安全性。選取三甲基鋁（TMA)與水（H 20)為前驅(qū)體,其主要反應(yīng)方稈式為:
[0083] (A) A10H*+A1 (CH3) 3 - A10A1 (CH3) 2*+CH4
[0084] (B) A1CH3*+H20 - A10H*+CH4
[0085] 采用上述微納米顆粒表面修飾裝置以及相應(yīng)的保壓沉積工藝方法：
[0086] 將0. lg A1H3顆粒放入粉體顆粒裝載裝置中并將其安裝在反應(yīng)腔體內(nèi)，與磁流體 密封裝置連接好。之后密封反應(yīng)腔體。
[0087] 開(kāi)啟真空泵，開(kāi)啟電磁閥和節(jié)流閥以使反應(yīng)腔體與真空泵相連通，將反應(yīng)腔體壓 力抽至小于或等于lpa。加熱反應(yīng)腔體使其內(nèi)部溫度穩(wěn)定在120°C，加熱前驅(qū)體鋼瓶、前驅(qū) 體支路管路以及前驅(qū)體快速響應(yīng)閥門(mén)均到80°C。給予粉體顆粒裝載裝置轉(zhuǎn)速60rpm，維持 該狀態(tài)1小時(shí)。
[0088] 關(guān)閉電磁閥，開(kāi)啟前驅(qū)體鋼瓶后的手動(dòng)針閥，打開(kāi)前驅(qū)體快速響應(yīng)閥門(mén)，以 lOOsccm的載氣（N2)攜帶前驅(qū)體TMA蒸汽進(jìn)入反應(yīng)腔體，TMA脈沖60s后關(guān)閉前驅(qū)體快速 響應(yīng)閥門(mén)，停止通入載氣，進(jìn)入30s的保壓階段。旋轉(zhuǎn)的粉體顆粒在達(dá)到一定高度后自由落 體，在下落過(guò)程中與前驅(qū)體TMA均勻接觸完成吸附。打開(kāi)電磁閥抽氣，同時(shí)以通入lOOsccm 的載氣，清洗干凈反應(yīng)副產(chǎn)物與對(duì)于的前驅(qū)體TMA。前驅(qū)體H20的脈沖、保壓和清洗階段類 似。
[0089] 進(jìn)行兩種前驅(qū)體脈沖、保壓和清洗階段的循環(huán)100次，沉積結(jié)束后即可在八1比顆 粒表面形成厚度約為14nm的A1 203薄膜。
[0090] 實(shí)施例二
[0091] 對(duì)粒徑為200nm的Si02顆粒表面包覆一層5nm厚的A120 3薄膜以研究Si02顆粒的 表面結(jié)構(gòu)。選取三甲基鋁（TMA)與水（?1?)為前驅(qū)體。
[0092] 采用上述微納米顆粒表面修飾裝置以及相應(yīng)的平衡分散沉積工藝方法：
[0093] 將Si02顆粒放入粉體顆粒裝載裝置中并將其安裝在反應(yīng)腔體內(nèi)，與磁流體密封裝 置連接好。之后密封反應(yīng)腔體。
[0094] 開(kāi)啟真空泵，開(kāi)啟電磁閥和節(jié)流閥以使反應(yīng)腔體與真空泵相連通，將反應(yīng)腔體壓 力抽至小于或等于lpa。加熱反應(yīng)腔體使其內(nèi)部溫度穩(wěn)定在200°C，加熱前驅(qū)體鋼瓶、前驅(qū) 體支路管路以及前驅(qū)體快速響應(yīng)閥門(mén)均到120°C。給予粉體顆粒裝載裝置轉(zhuǎn)速60rpm，維持 該狀態(tài)2小時(shí)。
[0095] 轉(zhuǎn)速選擇為300rpm。保持真空泵前的電磁閥的開(kāi)啟。調(diào)整載氣（N2)流量與節(jié)流 閥控制通過(guò)粉體顆粒層的氣流流速為lOOcm/s，達(dá)到粉體顆粒層兩側(cè)壓力差的穩(wěn)定狀態(tài)。擰 開(kāi)前驅(qū)體TMA鋼瓶后的手動(dòng)針閥，開(kāi)啟前驅(qū)體快速響應(yīng)閥門(mén)60s，載氣攜帶前驅(qū)體TMA的飽 和蒸汽通入反應(yīng)腔體。前驅(qū)體TMA隨著載氣從粉體顆粒裝載裝置的外側(cè)濾網(wǎng)沿徑向通過(guò)粉 體顆粒層并吸附在顆粒表面。前驅(qū)體TMA的快速響應(yīng)閥門(mén)關(guān)閉后，其他條件不變，對(duì)顆粒表 面進(jìn)行清洗，抽出反應(yīng)副產(chǎn)物與多余的前驅(qū)體TMA。前驅(qū)體H 2170的脈沖、保壓和清洗階段類 似。
[0096] 進(jìn)行兩種前驅(qū)體脈沖、保壓和清洗階段的循環(huán)50次，沉積結(jié)束后即可在Si02顆粒 表面形成厚度約為5nm的A1203薄膜。
[0097] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以 限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于微納米顆粒表面修飾的裝置，通過(guò)利用載氣輸送的多種前驅(qū)體進(jìn)行原子層 沉積，從而在微納米顆粒的表面形成包覆薄膜，實(shí)現(xiàn)表面修飾，其特征在于，該裝置包括： 反應(yīng)腔，其內(nèi)部形成的空腔用于作為前驅(qū)體與微納米顆粒的反應(yīng)空間； 多個(gè)前驅(qū)體供應(yīng)裝置，其分別通過(guò)管道與所述反應(yīng)腔相通，用于分別向反應(yīng)腔體中提 供不同的前驅(qū)體； 載氣輸送系統(tǒng)，其設(shè)置在所述前驅(qū)體供應(yīng)裝置的管道上，所述前驅(qū)體通過(guò)該載氣輸送 系統(tǒng)輸出的載氣輸送到反應(yīng)腔中；以及 粉體顆粒裝載裝置，其設(shè)置在所述反應(yīng)腔中并可在其中軸向旋轉(zhuǎn)，用于承載待修飾的 微納米顆粒，該粉體顆粒裝載裝置一端與位于反應(yīng)腔外的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，另一端與反 應(yīng)腔外的真空系統(tǒng)連接； 通過(guò)所述多個(gè)前驅(qū)體供應(yīng)裝置分別向所述反應(yīng)腔交替地輸送前驅(qū)體，并進(jìn)入所述旋轉(zhuǎn) 的粉體顆粒裝載裝置中以與微納米顆粒表面接觸進(jìn)行原子層沉積反應(yīng)，從而在微納米顆粒 的表面形成包覆薄膜，實(shí)現(xiàn)表面修飾。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于微納米顆粒表面修飾的裝置，其特征在于，所述粉 體顆粒裝載裝置為兩層圓筒套裝而成，內(nèi)外兩層筒壁均為微米級(jí)孔徑的不銹鋼粉末燒結(jié)濾 網(wǎng)，筒體兩端面設(shè)置有蓋板，并通過(guò)螺柱相互連接以將雙層圓柱狀濾網(wǎng)夾緊，保證粉體顆粒 不會(huì)從顆粒裝載裝置中漏出，筒體兩端的蓋板分別通過(guò)磁流體密封裝置與真空系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于微納米顆粒表面修飾的裝置，其特征在于，所述 前驅(qū)體供應(yīng)裝置包括存儲(chǔ)前驅(qū)體源的前驅(qū)體鋼瓶、設(shè)置在前驅(qū)體鋼瓶與反應(yīng)腔連接的管道 上的前驅(qū)體快速響應(yīng)閥門(mén)，以及位于所述前驅(qū)體快速響應(yīng)閥門(mén)與鋼瓶之間的手動(dòng)針閥，通 過(guò)各前驅(qū)體供應(yīng)裝置上的快速響應(yīng)閥門(mén)的交替開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)不同前驅(qū)體交替進(jìn)入反應(yīng)腔，并 通過(guò)手動(dòng)針閥的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)輸入的前驅(qū)體脈沖壓力大小的控制。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的一種用于微納米顆粒表面修飾的裝置，其特征在 于，還具有加熱與溫度控制系統(tǒng)，包括設(shè)置在腔體內(nèi)部的環(huán)形加熱器（16)、前驅(qū)體供應(yīng)系統(tǒng) 上的加熱裝置（15)以及溫度傳感器（14)，其中，環(huán)形加熱器（16)和加熱裝置（15)分別用 于為反應(yīng)腔、和前驅(qū)體供應(yīng)裝置加熱，所述溫度傳感器（14)用于測(cè)量反應(yīng)腔（1)的溫度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的一種用于微納米顆粒表面修飾的裝置，其特征在 于，所述真空系統(tǒng)包括真空泵（12)、節(jié)流閥（10)和磁流體密封裝置（9)，其中所述真空泵 (12)用于對(duì)反應(yīng)腔抽真空，保證反應(yīng)環(huán)境的潔凈并清除反應(yīng)副產(chǎn)物與多余的前驅(qū)體，所述 磁流體密封裝置（9)與粉體顆粒裝載裝置（3)連接，用于使得反應(yīng)腔中所有的氣流均穿過(guò) 該粉體顆粒裝載裝置（3)中的粉體顆粒層后被抽出，所述節(jié)流閥（10)設(shè)置在磁流體密封裝 置（9)下游，用于控制通過(guò)粉體顆粒裝載裝置（3)中粉體顆粒層的氣流流速。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的一種用于微納米顆粒表面修飾的裝置，其特征在 于，所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電機(jī)（20)、聯(lián)軸器（19)和磁流體密封裝置（18)，其中磁流體密 封裝置（18)與反應(yīng)腔（1)相連，電機(jī)（20)通過(guò)與其相連的聯(lián)軸器（19)傳動(dòng)給磁流體密封 裝置（18)的轉(zhuǎn)軸，從而驅(qū)動(dòng)與該轉(zhuǎn)軸連接的粉體顆粒裝載裝置（3)旋轉(zhuǎn)。
7. -種利用上述權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的用于微納米顆粒表面修飾的裝置進(jìn)行 微納米顆粒表面修飾的方法，其通過(guò)利用載氣輸送的多種前驅(qū)體進(jìn)行原子層沉積，在微納 米顆粒的表面形成包覆薄膜，實(shí)現(xiàn)表面修飾，其特征在于，該方法包括： 在一定的原子層沉積（ALD)反應(yīng)溫度下，利用所述真空系統(tǒng)對(duì)反應(yīng)腔抽真空； 粉體顆粒裝載裝置在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)其中的粉體顆粒旋轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)； 多種前驅(qū)體在載氣帶動(dòng)下交替進(jìn)入反應(yīng)腔，并穿過(guò)所述粉體顆粒裝載裝置外側(cè)濾網(wǎng)后 在粉體顆粒表面發(fā)生化學(xué)吸附； 在真空系統(tǒng)的真空泵的作用下利用載氣清掃多余的前驅(qū)體及反應(yīng)副產(chǎn)物，從而得到所 需的進(jìn)行了表面修飾的微納米顆粒。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的利用上述用于微納米顆粒表面修飾的裝置進(jìn)行微納米顆粒 表面修飾的方法，其特征在于，每一種前驅(qū)體的吸附具體過(guò)程為：當(dāng)前驅(qū)體脈沖通入反應(yīng)腔 體后，真空系統(tǒng)的真空泵停止抽氣，保持反應(yīng)腔體內(nèi)的壓力環(huán)境，隨粉體顆粒裝載裝置進(jìn)行 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的微納米顆粒在上升到一定高度后由于重力的作用自由落體，粉體顆粒在下落的 過(guò)程中互相分散，其各自表面均勻吸附該前驅(qū)體。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的利用上述用于微納米顆粒表面修飾的裝置進(jìn)行微納米顆粒 表面修飾的方法，其特征在于，保壓時(shí)間與粉體顆粒的比表面積的大小相關(guān)，優(yōu)選為10? 120s。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的利用上述用于微納米顆粒表面修飾的裝置進(jìn)行微納米 顆粒表面修飾的方法，其特征在于，前驅(qū)體脈沖時(shí)間與粉體顆粒的總表面積的大小相關(guān)，優(yōu) 選為 10 ?180s/m2。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8-10中任一項(xiàng)所述的利用上述用于微納米顆粒表面修飾的裝置 進(jìn)行微納米顆粒表面修飾的方法，其特征在于，粉體顆粒裝載裝置的轉(zhuǎn)速優(yōu)選為30? 160rpm〇
12. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的利用上述用于微納米顆粒表面修飾的裝置進(jìn)行微納米顆粒 表面修飾的方法，其特征在于，每一種前驅(qū)體的吸附具體過(guò)程為：以較高的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)粉體顆 粒裝載裝置，粉體顆粒由于很大的離心力隨之一起進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，前驅(qū)體隨著較大流量的 載氣一起輸入到反應(yīng)腔體中，從粉體顆粒裝載裝置的外側(cè)濾網(wǎng)沿徑向通過(guò)粉體顆粒層并吸 附在顆粒表面，調(diào)整通過(guò)粉體顆粒層的氣流流速，利用分別與反應(yīng)腔體和排氣口上游相連 接的壓力計(jì)檢測(cè)粉體顆粒層兩側(cè)的壓力差，當(dāng)該壓力差達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，其對(duì)粉體顆粒產(chǎn)生的 壓力梯度力和粉體所受的離心力相平衡，從而實(shí)現(xiàn)粉體顆粒的分散，促進(jìn)前驅(qū)體吸附的均 勻性。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的利用上述用于微納米顆粒表面修飾的裝置進(jìn)行微納米顆 粒表面修飾的方法，粉體顆粒裝載裝置的轉(zhuǎn)速優(yōu)選為160?900rpm。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的利用上述用于微納米顆粒表面修飾的裝置進(jìn)行微納 米顆粒表面修飾的方法，通過(guò)粉體顆粒層的氣流流速優(yōu)選為30?500cm/s。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12-14中任一項(xiàng)所述的利用上述用于微納米顆粒表面修飾的裝置進(jìn) 行微納米顆粒表面修飾的方法，反應(yīng)腔體系統(tǒng)的溫度在室溫至550°C范圍內(nèi)。
【文檔編號(hào)】B82Y40/00GK104046958SQ201410247956
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月6日
【發(fā)明者】陳蓉, 段晨龍, 劉瀟, 曹坤, 單斌, 文艷偉 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)