本發(fā)明屬于原子層沉積技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種納米顆粒空間原子層沉積連續(xù)包覆裝置及方法。

背景技術(shù)：

粉體顆粒物質(zhì)在微觀層面具有一系列優(yōu)異的化學(xué)和物理性質(zhì)，但同時，也表現(xiàn)出容易團聚、被氧化和性質(zhì)不穩(wěn)定等缺點。通過給粉體顆粒表面包覆保護膜，可有效克服上述缺點，具有保護膜的粉體顆粒還可以作為新的性能優(yōu)良的復(fù)合材料。

目前粉體顆粒的包覆方法主要有固相法、液相法和氣相法等，原子層沉積技術(shù)作為一種特殊的化學(xué)氣相沉積技術(shù)，與其他沉積技術(shù)相比具有優(yōu)良的均勻一致性和可控性。該技術(shù)是利用粉體表面的自限制特性的化學(xué)吸附反應(yīng)，生長出一層非常均勻的納米級厚度的薄膜，通過控制循環(huán)次數(shù)來精確控制包覆的厚度。常規(guī)的原子層沉積方法可以直接運用在基片表面，能夠得到很好的包覆效果，但是，對于具有非常大的比表面積的納米顆粒，利用常規(guī)原子層沉積方法進行包覆，存在顆粒團聚現(xiàn)象非常嚴重的問題，直接損害了顆粒表面的包覆率和均勻性，限制了納米顆粒在工業(yè)上的進一步利用。

文獻"continuousproductionofnanostructuredparticlesusingspatialatomiclayerdeposition"(j.ruudvanommen,dirkjankooijman,markdeniet,mojgantaebi)公開了一種基于空間原子層沉積的粉體表面連續(xù)包覆方法及裝置。該裝置主要由內(nèi)徑為4mm，長度為27m的管道構(gòu)成，通入氮氣流使納米顆粒在管道內(nèi)連續(xù)運動，在管道的不同位置依次通入前驅(qū)體，實現(xiàn)顆粒的包覆。但該論文公開的方法存在如下缺陷或不足：

(1)只能實現(xiàn)納米顆粒的單層包覆，沉積效率低；

(2)裝置尺寸過長，管道加工難度大，反應(yīng)后管壁清洗困難；

(3)沒有考慮包覆過程中的前驅(qū)體隔離問題，會發(fā)生污染。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供一種納米顆粒空間原子層沉積連續(xù)包覆裝置及其方法，其目的在于使納米顆粒連續(xù)通過多級管道完成原子層沉積反應(yīng)的多個過程，并使前驅(qū)體與顆粒充分接觸，提高沉積薄膜的包覆率和均勻性，提高粉體表面包覆的效率。

為了實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供一種納米顆粒空間原子層沉積連續(xù)包覆裝置，包括依次連接的第一、第二、第三及第四級管路單元；

其中，所述第一級管路單元為吸附單元，用于提供第一前驅(qū)體，并使第一前驅(qū)體在納米顆粒的表面完成吸附；

所述第三級管路單元為反應(yīng)單元，用于提供第二前驅(qū)體，并使第二前驅(qū)體與所述納米顆粒表面的第一前驅(qū)體發(fā)生反應(yīng)，以在納米顆粒表面生成單分子薄膜層；

所述第二、第四級管路單元為清洗單元，用于對所述納米顆粒進行清洗，排出多余的第一前驅(qū)體、第二前驅(qū)體或反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物；

通過所述第一、第二、第三及第四級管路單元的相互配合，可實現(xiàn)所述納米顆粒的清洗及表面原子層沉積，使納米顆粒連續(xù)通過多級管道完成原子層沉積反應(yīng)的多個過程，從而實現(xiàn)所述納米顆粒的均勻和快速包覆。

進一步地，所述第一級管路單元包括驅(qū)動氣源、管路、粉體補給裝置、第一前驅(qū)體以及清洗腔室，所述驅(qū)動氣源設(shè)于所述管路的一端，用于為所述第一級管路單元提供充足的驅(qū)動氣體，所述粉體補給裝置和第一前驅(qū)體間隔一定距離設(shè)于所述管路的兩側(cè)，所述粉體補給裝置用于控制所述納米顆粒進入管路中，所述第一前驅(qū)體用于為第一級管路單元提供前驅(qū)體，所述清洗腔室一端與所述管路一端連接，另一端與所述第二級管路單元連接。

進一步地，所述第三級管路單元包括驅(qū)動氣體、管路、第二前驅(qū)體以及清洗腔室，所述驅(qū)動氣源設(shè)于所述管路的一端，用于為所述第三級管路單元提供充足的驅(qū)動氣體，所述第二前驅(qū)體設(shè)于管路上，用于為第三級管路單元提供前驅(qū)體，所述清洗腔室一端與所述管路一端連接，另一端與所述第四級管路單元連接。

進一步地，所述第二級管路單元和第四級管路單元結(jié)構(gòu)相同，用于清洗所述納米顆粒，并隔離第一、第三級管路單元，避免不同前驅(qū)體的交叉污染，包括驅(qū)動氣源、管路和清洗腔室，所述驅(qū)動氣源和清洗腔室分別設(shè)于所述管路的兩端。

優(yōu)選地，所述驅(qū)動氣源為氮氣源。

優(yōu)選地，所述管路為細長體不銹鋼管。

優(yōu)選地，所述清洗腔室的周圍設(shè)有過濾網(wǎng)，其網(wǎng)格的大小為2000～3000目。

優(yōu)選地，所述第一、第二、第三及第四級管路單元通過標準管道接口連接，用于保證氣路的密封性。

進一步地，所述驅(qū)動氣源與管路、粉體補給裝置與管路、第一、第二前驅(qū)體與管路之間均設(shè)有閥門，所述閥門與電磁閥連接，用于控制管路的通斷。

進一步地，所述粉體補給裝置包括進料口、螺旋進給裝置出料口及驅(qū)動電機，其中，所述進料口為錐形結(jié)構(gòu)，便于所述粉體進入螺旋進給裝置中，所述驅(qū)動電機與所述螺旋進給裝置的一端連接，用于驅(qū)動所述螺旋進給裝置轉(zhuǎn)動，所述螺旋進給裝置的中間部分設(shè)有出料口，所述出料口與第一級管路單元連接。

進一步地，所述螺旋進給裝置包括螺旋葉片和中心軸，所述中心軸的一端與所述驅(qū)動電機的輸出軸連接，所述驅(qū)動電機用于帶動所述中心軸轉(zhuǎn)動，所述螺旋葉片隨所述中心軸轉(zhuǎn)動并帶動所述納米顆粒運動。

進一步地，所述出料口兩側(cè)螺旋葉片的螺旋方向相反，便于使所述納米顆粒繼續(xù)向出料口方向運動，減小粉體損失。

按照本發(fā)明的另一個方面，提供一種納米顆粒空間原子層沉積連續(xù)包覆方法，應(yīng)用所述的裝置實現(xiàn)。

進一步地，包括如下步驟：

(1)在第一級管路單元的粉體給料裝置中裝入納米顆粒，打開第一級管路單元的閥門及氮氣源，排出管路內(nèi)殘余的空氣，所述納米顆粒在氣流的作用下持續(xù)進入管路內(nèi)，與流化氣體充分混合，分散的納米顆粒與氮氣中的第一前驅(qū)體完成飽和吸附，然后進入清洗腔室中，殘余第一前驅(qū)體和反應(yīng)副產(chǎn)物被抽出，清洗后的納米顆粒從第一級管路的清洗腔室的末端進入第二級管路；

(2)打開第二級管路單元的閥門及氮氣源，經(jīng)過第一級管路的納米顆粒在氣流的作用下持續(xù)進入管路內(nèi)，控制氮氣的流速，使納米顆粒充分與氮氣混合，完成對所述納米顆粒的清洗；

(3)打開第三級管路單元的閥門及氮氣源，經(jīng)過第二級管路的納米顆粒在氣流的作用下持續(xù)進入管路內(nèi)，分散的納米顆粒在管道內(nèi)與第二前驅(qū)體混合，納米顆粒表面的第一前驅(qū)體和第二前驅(qū)體完成包覆反應(yīng)；包覆好的薄膜在氣流的作用下進入清洗腔室中，完成殘余前驅(qū)體和反應(yīng)副產(chǎn)物的初步清洗；

(4)打開第四級管路單元的閥門及氮氣源，從第三級管路輸送過來的納米顆粒在氣流的作用下持續(xù)進入管路內(nèi)，控制氮氣的流速，使納米顆粒充分與氮氣混合，完成包覆后的納米顆粒的清洗，所述納米顆粒進入收集器中完成收集。

進一步地，所述第一前驅(qū)體為三甲基鋁。

進一步地，所述第二前驅(qū)體為h2o或o3。

進一步地，所述氮氣源通入氮氣的流量為500sccm～5000sccm。

進一步地，所述氮氣源通入氮氣的流量為2000sccm。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

(1)本發(fā)明的納米顆?？臻g原子層沉積連續(xù)包覆裝置，使納米顆粒連續(xù)通過多級管道完成原子層沉積反應(yīng)的多個過程，并使前驅(qū)體與顆粒充分接觸，提高沉積薄膜的包覆率和均勻性，提高粉體表面包覆的效率。

(2)本發(fā)明的納米顆?？臻g原子層沉積連續(xù)包覆裝置，通過多段管路結(jié)構(gòu)，分段完成一個完整的原子層沉積反應(yīng)的各個過程，實現(xiàn)原子層沉積反應(yīng)的空間隔離，通過依次交替地通過不同的前驅(qū)體反應(yīng)區(qū)域，對納米粉體顆粒表面形成一層包覆薄膜，循環(huán)運動得到理想的膜厚；并使用組裝結(jié)構(gòu)便于后續(xù)擴展及拆卸,方便調(diào)節(jié)實驗工藝以及實驗后的清洗。

(3)本發(fā)明的納米顆?？臻g原子層沉積連續(xù)包覆方法，流化氣流量、納米顆粒補給量和清洗腔室的抽氣速率等參數(shù)簡單易調(diào)，方便進行工藝對比性試驗，得出最佳流化氣流量、顆粒補給量和抽氣速率，在保證顆粒分散效果的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)最大的包覆速率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例一種本發(fā)明的納米顆?？臻g原子層沉積連續(xù)包覆裝置示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例一種本發(fā)明的納米顆?？臻g原子層沉積連續(xù)包覆裝置涉及的粉體進料單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例一種本發(fā)明的納米顆?？臻g原子層沉積連續(xù)包覆方法流程圖。

圖1和圖2中，同一個附圖標記表示相同的結(jié)構(gòu)元件，其中：1-氮氣源、2-粉體補給裝置、3-第一前驅(qū)體源、4-管路、5-清洗腔室、6-第二前驅(qū)體源、7-驅(qū)動電機、8-進料口、9-螺旋葉片、10-粉體出料口。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實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。

本發(fā)明的基本原理是利用多級管道以及氣體流量控制，使納米顆粒在管道內(nèi)連續(xù)運動，然后通過清洗區(qū)域或前驅(qū)體反應(yīng)區(qū)域，實現(xiàn)納米顆粒的均勻包覆，其采用空間隔離的原理，使原子層沉積不同過程互不影響，實現(xiàn)常壓下納米顆粒的快速均勻包覆。

圖1為本發(fā)明實施例一種本發(fā)明的納米顆?？臻g原子層沉積連續(xù)包覆裝置示意圖。如圖1所示，該沉積裝置主要包括依次相連的四級管路單元，第一、二、三、四級管路單元依次連接。其中，第一級管路單元為吸附單元，其用于提供第一前驅(qū)體，并使第一前驅(qū)體在納米顆粒的表面完成吸附，第三級管路單元為反應(yīng)單元，其用于提供第二前驅(qū)體，并使第二前驅(qū)體與納米顆粒表面的第一前驅(qū)體進行反應(yīng)，以在納米顆粒表面生成單分子薄膜層，第二、第四級管路單元為清洗單元，用于對納米顆粒進行清洗，排出多余的前驅(qū)體或反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物等雜質(zhì)。由此，通過上述四級管路單元的相互配合，可實現(xiàn)納米顆粒的清洗及表面原子層沉積，使納米顆粒連續(xù)通過多級管道完成原子層沉積反應(yīng)的多個過程，并使前驅(qū)體與顆粒充分接觸，提高沉積薄膜的包覆率和均勻性，提高粉體表面包覆的效率。

如圖1所示，第一級管路單元具體包括驅(qū)動氣體、管路4、粉體補給裝置2、前驅(qū)體源以及清洗腔室5。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，所述驅(qū)動氣體為氮氣源1。

如圖1所示，第三級管路單元具體包括驅(qū)動氣體、管路4、前驅(qū)體源以及清洗腔室5。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，所述前驅(qū)體源分為兩級，即第一前驅(qū)體源3和第二前軀體源6。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，驅(qū)動氣體和納米顆?；旌瞎艿罏橐欢为M長的不銹鋼細管。

如圖1所示，氮氣源1設(shè)有管路4的端部，用于為管路4實時提供充足的氮氣，粉體補給裝置2設(shè)于管路4上，用于控制一定量的納米顆粒持續(xù)進入管路4內(nèi)，第一前驅(qū)體源3設(shè)于管路4上，且與粉體補給裝置2間隔一定距離，用于為納米顆粒提供第一前驅(qū)體，從而實現(xiàn)對納米顆粒的吸附，清洗腔室5一端與所述管路4連接，另一端與第二級管路單元的連接。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，清洗腔室5的周圍設(shè)有過濾網(wǎng)，其網(wǎng)格的大小優(yōu)選為3000目。

工作時，通過調(diào)節(jié)流量計的流量，使氮氣以一定的速率持續(xù)通入管路4內(nèi)，然后粉體補給裝置2控制一定量的納米顆粒持續(xù)進入管路4，顆粒隨著氣流沿管道運動，并且充分分散。控制第一前驅(qū)體源進入管道與氮氣充分混合，第一前驅(qū)體3在納米顆粒表面完成包覆反應(yīng)，隨后到達清洗腔室5，載氣和殘余的第一前驅(qū)體3以及反應(yīng)副產(chǎn)物在抽氣的作用下排除管道外。而粉體顆粒在腔室周圍的3000目濾網(wǎng)阻攔下，留在清洗腔室5內(nèi)，并且隨著氣流沿著管路進入第二級單元，進行下一步的操作。所述部件均是通過標準管道接口連接，保證氣路的密封性，同時氮氣源1與管路4、納米顆粒與管路4以及驅(qū)體源與管路4之間均有閥門和電磁閥連接，能夠控制管路的通斷。

如圖1所示，第二、第四級管路單元的結(jié)構(gòu)與第一、第三級管路單元基本相同。其中，第二級管路單元包括氮氣源1、管路4和清洗腔室5。第四級管路單元包括氮氣源1、管路4和清洗腔室5。這兩個管路的目的是進一步清洗納米顆粒，同時起到隔離第一、第三級管路單元的作用，避免不同前驅(qū)體的交叉污染。本發(fā)明的納米顆粒空間原子層沉積連續(xù)包覆裝置，通過多段管路結(jié)構(gòu)，分段完成一個完整的原子層沉積反應(yīng)的各個過程，實現(xiàn)原子層沉積反應(yīng)的空間隔離，通過依次交替地通過不同的前驅(qū)體反應(yīng)區(qū)域，對納米粉體顆粒表面形成一層包覆薄膜，循環(huán)運動得到理想的膜厚；并使用組裝結(jié)構(gòu)便于后續(xù)擴展及拆卸,方便調(diào)節(jié)實驗工藝以及實驗后的清洗。

圖2為本發(fā)明實施例一種本發(fā)明的納米顆?？臻g原子層沉積連續(xù)包覆裝置涉及的粉體進料單元的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，本發(fā)明的粉體進料單元包括進料口8，螺旋進給裝置9、出料口10和驅(qū)動電機7。其中，進料口8為錐形結(jié)構(gòu)，有利于顆粒進入螺旋進給裝置9，螺旋進給裝置9的主要結(jié)構(gòu)是螺旋葉片中心軸，顆粒在該螺旋葉片的帶動下運動，螺旋進給裝置9的中間部分設(shè)有出料口10，該出料口10與第一級管道連接。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，出料口10兩端的螺旋葉片的螺旋方向相反，能夠使納米顆粒繼續(xù)向出料口10方向運動，減小粉體損失。

圖3為本發(fā)明實施例一種本發(fā)明的納米顆?？臻g原子層沉積連續(xù)包覆方法流程圖。如圖3所示，本發(fā)明優(yōu)選實施例中應(yīng)用所述納米顆粒空間原子層沉積連續(xù)包覆裝置進行納米顆粒的原子層沉積，其具體包括如下步驟：

(1)在第一級管路單元的粉體給料裝置中裝入納米顆粒，打開第一級管路單元的閥門及氮氣源1，排出管路內(nèi)殘余的空氣，納米顆粒在氣流的作用下持續(xù)進入管路4內(nèi)，與流化氣體充分混合，分散的納米顆粒與氮氣中的第一前驅(qū)體完成飽和吸附，然后進入清洗腔室5中，殘余第一前驅(qū)體和反應(yīng)副產(chǎn)物被抽出，清洗后的納米顆粒從第一級管路的清洗腔室5的末端進入第二級管路；

(2)打開第二級管路單元的閥門及氮氣源1，從第一級管路輸送過來的納米顆粒在氣流的作用下持續(xù)進入管路4內(nèi)，控制氮氣的流速，使納米顆粒充分與氮氣混合，完成前驅(qū)體的進一步清洗；

(3)打開第三級管路單元的閥門及氮氣源，從第二級管路輸送過來的納米顆粒在氣流的作用下持續(xù)進入管路內(nèi)，分散的納米顆粒在管道內(nèi)與第二前驅(qū)體混合，納米顆粒表面的第一前驅(qū)體和第二前驅(qū)體完成包覆反應(yīng)；包覆好的薄膜在氣流的作用下進入清洗腔室中，完成殘余前驅(qū)體和反應(yīng)副產(chǎn)物的初步清洗；

(4)打開第四級管路單元的閥門及氮氣源，從第三級管路輸送過來的納米顆粒在氣流的作用下持續(xù)進入管路內(nèi)，控制氮氣的流速，使納米顆粒充分與氮氣混合，完成包覆后的納米顆粒的清洗，顆粒進入收集器中完成收集。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，氮氣源1通入氮氣的流量為500sccm～5000sccm，優(yōu)選為2000sccm，在該速率下，能夠在保證包覆效果的前提下實現(xiàn)高效率連續(xù)化包覆。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，所述第一前驅(qū)體優(yōu)選為三甲基鋁，第二前驅(qū)體優(yōu)選為h2o或o3。

本發(fā)明的納米顆?？臻g原子層沉積連續(xù)包覆方法，流化氣流量、納米顆粒補給量和清洗腔室的抽氣速率等參數(shù)簡單易調(diào)，方便進行工藝對比性試驗，得出最佳流化氣流量、顆粒補給量和抽氣速率，在保證顆粒分散效果的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)最大的包覆速率。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。