設備更新|粉末原子層沉積（PALD）：科研平臺建設“新質(zhì)生產(chǎn)力”

隨著對科技創(chuàng)新的不斷重視和投入，新一輪的大規(guī)模設備以舊換政策為廣大高校和研究機構(gòu)帶來了發(fā)展機遇。高質(zhì)量的科研平臺建設是提升研究水平、增強競爭力的關鍵。Forge Nano 的新型粉末原子層沉積設備不僅能夠提升研究質(zhì)量，還能打通產(chǎn)、學、研三界的橋梁，助力高校在科研的道路上邁出堅實的步伐。

原子層沉積系統(tǒng)新型粉末原子層沉積助力高校平臺建設

粉末原子層沉積，利用其平臺技術(shù)，可以在高比表面積的粉末顆粒表面構(gòu)筑超薄的納米涂層或活性組分，開發(fā)多種涂層工藝。同時，可將粉體ALD技術(shù)進行工業(yè)化放大的企業(yè)（千噸級粉末處理能力）。我們誠摯地邀請廣大科研工作者，利用新型 ALD 平臺開發(fā)可放大的粉體涂層工藝，為催化、新能源、粉末冶金以及制藥等研究方向帶來更多無限可能。

Part 01.關于粉末原子層沉積技術(shù)

粉末技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)形成多樣化的制備及加工技術(shù)。表面包覆作為提升粉末物理化學性能的重要手段，長期以來一直缺乏有效的精密手段。傳統(tǒng)的液相包覆或氣相包覆手段都無法實現(xiàn)均勻以及厚度的精密控制，限制了包覆技術(shù)的進一步發(fā)展。

原子層沉積技術(shù)（ALD）是一種自限制性的化學氣相沉積手段，通過將目標反應拆解為若干個半反應，實現(xiàn)表面涂層的原子層級厚度控制。利用該技術(shù)制備的涂層具有：共形，無針孔，均勻的特點，對于復雜的表面界面以及高縱深比樣品有較好的沉積效果。

粉末原子層沉積(PALD)系統(tǒng)則克服了傳統(tǒng)原子層沉積無法高效處理大批量高比表面積樣品的缺點，發(fā)展出高通量的處理能力。衍生出包含：流化床，旋轉(zhuǎn)床在內(nèi)的多種粉末 ALD 形式。

ALD 技術(shù)制備的薄膜更均勻(左：溶膠凝膠法；右：ALD)

這種精度較高的包覆技術(shù)已經(jīng)被證明可用于多種組分以及納米結(jié)構(gòu)的制備，配合刻蝕還可進行復雜結(jié)構(gòu)的制備。包括：單原子/團簇催化劑，鋰電材料表面包覆，藥物制劑流動性改善，金屬粉末表面鈍化以及選擇性原子層沉積等。

PALD 技術(shù)已被驗證可制備無機以及有機的涂層

Part 02.Forge Nano 粉末原子層沉積選型推薦

平臺建設利器：Prometheus 流化床原子層沉積系統(tǒng)

利用 Prometheus 流化床原子層沉積系統(tǒng)可開發(fā)探索復雜的高比表面積粉末涂層，同時也能將批次處理能力提升至企業(yè)驗證需求的水平，可加快成果轉(zhuǎn)化速度。適合兼顧科學研究以及成果轉(zhuǎn)化的工藝開發(fā)需求，實現(xiàn)與企業(yè)小試要求的無縫銜接。

1.功能特點：采用流化床技術(shù)實現(xiàn)粉料分散，專為粉末 ALD 設計，可實現(xiàn)克級到公斤級粉末材料的界面涂層生長。

2.適用領域：鋰電電極材料、負載型催化劑、藥物制劑和金屬/陶瓷粉末等

3.批次處理量：可更換腔室，選用5ml、150ml 以及 600ml 的不同批次粉料，實現(xiàn)從毫克到公斤級的粉料 ALD 處理。

4.前驅(qū)體通道：2-8（最多 4 路低蒸汽壓前驅(qū)體通道），鼓泡流化床前驅(qū)體管道設計，有效促進低蒸汽壓前驅(qū)體的輸送。

5.在線質(zhì)譜監(jiān)測：精準控制 ALD 前驅(qū)體利用率（可達 90% 利用率）

6.臭氧發(fā)生器：直接與粉末接觸的臭氧管道，在促進粉料分散的同時實現(xiàn)臭氧 dose

7.可行性驗證：對于鋰電和金屬粉材料，工業(yè)的可行性驗證需要單次百克甚至公斤級的粉料，這是傳統(tǒng) ALD 設備無法實現(xiàn)的處理量

基礎研究：Pandora 多功能原子層沉積系統(tǒng)

Pandora 多功能原子層沉積系統(tǒng)使用操作簡單，兼容性強，適合在前期快速開展粉末包覆和平面樣品薄膜沉積的研究。同時，該系統(tǒng)能真正做到兼顧多種不同樣品的需求，可處理各種復雜樣品并做到 ALD 包覆。

1.功能特點：采用旋轉(zhuǎn)床反應器，粉末在重力與離心力的共同作用下實現(xiàn)分散。通過精確的前驅(qū)體注入，實現(xiàn)高效的利用以及均勻的包覆效果。此外，外腔室可容納5L的非平面類樣品進行 ALD 測試。

2.適用領域：粉末類樣品，平面類樣品，三維物件（已通過 cGMP 認證）

3.腔室大小：200ml 粉末腔，5L 外腔

4.前驅(qū)體通道：3-6（基礎三路高蒸汽壓通道，3 路低蒸汽壓獨立通道）

5.在線質(zhì)譜監(jiān)測：精準控制 ALD 前驅(qū)體利用率（可達 90% 利用率）

Part 03.粉末原子層沉積技術(shù)的應用領域

催化劑

負載型催化劑材料存在比表面積大、界面不穩(wěn)定以及選擇性差等問題，通過 ALD 的方法可以改善界面，實現(xiàn)選擇性支撐層、防護層以及構(gòu)筑活性位點的多種功能。（詳見：?通量粉末原?層沉積（PALD）技術(shù)在催化劑中的應?）

Forge Nano 與美國國家再生能源實驗室和阿貢實驗室合作，開發(fā)新一代催化劑材料。通過ALD 技術(shù)，實現(xiàn) Pd/Al2O3 催化劑更高的穩(wěn)定性，在高溫條件下，可避免催化劑的燒結(jié)，從而使實現(xiàn)穩(wěn)定的芳烴氫化反應[1]。

TiO2 的包覆促進催化劑的穩(wěn)定

在另一項同樣來自美國國家可再生能源實驗室的研究中，使用高通量的 ALD 技術(shù)構(gòu)筑 Pt 催化劑涂層，可實現(xiàn) Ni/Co 納米線材料的高效催化，并防止金屬元素浸出損耗[2]。

納米線的催化劑涂層促進高效催化

鋰電電極材料包覆

以鋰離子電池為代表的電池材料，在充放電時存在容量不可逆轉(zhuǎn)的下降，甚至引起安全事故。對電極材料的包覆處理是從源頭改善電池性能的重要手段。通過包覆常規(guī)的氧化物、以及鈦/鋁的有機雜化涂層，可以明顯提升電池的電化學性能，并提升其安全性。目前，F(xiàn)orge Nano 已經(jīng)使用該技術(shù)在 6K Energy 的正極材料和Anvion 的負極材料中實現(xiàn)了量產(chǎn)的目標。

ALD 包覆后的高壓性能有明顯提升，同時其熱失控風險降低

此外，利用 ALD 的厚度可控，均勻性特點，可將部分多元化合物，電解質(zhì)涂層用 ALD 的方式在電極材料表面進行構(gòu)筑，可以有效降低涂層負載量，并進一步提升涂層性能。

粉末冶金

粉末冶金利用粉末材料鑄造型材，這對粉末材料的流動性和分散性有較高的要求。在粉末熔融的過程中，團聚顆粒以及天然氧化層中的雜質(zhì)對于最終型材的質(zhì)量會有較大影響。通過 ALD 技術(shù)進行粉末包覆后，材料的抗侵蝕，耐潮性，流動性有明顯改善，同時涂層成分的變化還可以賦予粉末功能，如改變其反射率，親水性等，擴大應用場景[3]。

制藥

藥物粉末尤其是 API，通常為無定形或水合物狀態(tài)，極易發(fā)生團聚。通過 ALD 包覆，可有效改善其分散系和流動性，這對于吸入式藥物制劑的研發(fā)有重要的促進作用。藥物親水性的調(diào)控對其在人體體液中的釋放有積極意義，而 ALD 只需幾個周期的涂層就可實現(xiàn)不同親水性或親油性的樣品包覆。

此外，對于部分熱敏感的藥物，通過 ALD 包覆可以提升其熱穩(wěn)定性，防止其發(fā)生熱解。一項合作研究表明，將經(jīng)過 ALD 包覆處理的 HPV 疫苗用于單次給藥實驗，實現(xiàn)了小鼠體內(nèi)更為持久的抗原反應[4]。

ALD 包覆后的疫苗擁有更高的熱穩(wěn)定性和更持久的藥效

參考文獻

【1】 McNeary W W, Tacey S A, Lahti G D, et al. Atomic Layer Deposition with TiO2 for Enhanced Reactivity and Stability of Aromatic Hydrogenation Catalysts[J]. ACS Catalysis, 2021, 11: 8538-8549.

【2】Alia S M, Neyerlin K C, Hurst K, et al. Advances in Ptni Nanowire Extended Thin Film Electrocatalysts[C]//ECS Meeting Abstracts. IOP Publishing, 2018 (44): 1505.

【3】Miller J, Gillespie C, Chesser J, et al. Surface modification of organic powders for enhanced rheology via atomic layer deposition[J]. Advanced Powder Technology, 2020, 31(6): 2521-2529.

【4】Garcea R L, Meinerz N M, Dong M, et al. Single-administration, thermostable human papillomavirus vaccines prepared with atomic layer deposition technology[J]. npj Vaccines, 2020, 5(1): 1-8.