CN108220917B - 一种用于纳米颗粒表面包覆的连续原子层沉积设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于原子层沉积设备领域，并具体公开了一种用于纳米颗粒表面包覆的连续原子层沉积设备，包括进料仓、第一反应室、第二反应室和出料仓，进料仓用于控制纳米颗粒进入第一反应室，纳米颗粒在第一反应室中利用超声振动网打散，与第一前驱体反应物发生反应；反应后的纳米颗粒经第一旋转给料装置进入第一清洗室，并通过气体吹扫清洗掉反应副产物；经过清洗后的纳米颗粒送入第二反应室中，并在第二反应室内部利用超声振动网打散，且与第二前驱体反应物发生反应；反应后的纳米颗粒经第二旋转给料装置进入第二清洗室，并通过气体吹扫清洗掉反应副产物，最后送入出料仓中。本发明可实现纳米颗粒表面薄膜的连续均匀沉积，且无团聚现象。

Description

一种用于纳米颗粒表面包覆的连续原子层沉积设备

技术领域

本发明属于原子层沉积设备领域，更具体地，涉及一种用于纳米颗粒表面包覆的连续原子层沉积设备。

背景技术

原子层沉积技术与用于薄膜制备的化学气相沉积方法或物理气相沉积方法相比有着极其优越的性能，因此被广泛的应用。原子层沉积技术在反应过程中具有自限制性，故原子层沉积技术能够沉积纳米级厚度的薄膜，通过控制反应的循环次数能够精确地控制薄膜的厚度。

原子层沉积方法获得的薄膜具有良好的均匀性和保形性，已经在汽车尾气处理、太阳能电池的制备和量子点的包覆改性方面有广泛的应用。而在包覆过程中，纳米颗粒具有容易团聚的特点，现有的原子层沉积设备对实现颗粒分散的作用有限，且不能实现纳米颗粒表面的连续原子层沉积，即纳米颗粒在沉积过程中容易团聚，且无法实现连续原子层沉积。因此，有必要研究设计一种原子层沉积设备，以有效解决纳米颗粒容易团聚的问题，并实现连续沉积。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于纳米颗粒包覆的连续原子层沉积设备，其通过将纳米颗粒依次通过通有不同前驱体反应物的反应腔体和清洗室实现薄膜在纳米颗粒表面的连续沉积，同时通过反应腔体中的超声振动网防止纳米颗粒之间的团聚，实现纳米颗粒表面薄膜的均匀沉积，具有沉积连续均匀，纳米颗粒无团聚等优点。

为实现上述目的，本发明提出了一种用于纳米颗粒表面包覆的连续原子层沉积设备，其包括进料仓、第一反应室、第二反应室和出料仓，其中，所述进料仓用于控制纳米颗粒进入所述第一反应室，纳米颗粒在第一反应室内部利用超声振动网被打散，并与第一前驱体反应物发生反应；反应后的纳米颗粒经第一旋转给料装置进入第一清洗室，并在第一清洗室内部通过气体吹扫清洗掉反应副产物；经过第一清洗室清洗后的纳米颗粒送入第二反应室中，并在第二反应室内部利用超声振动网被打散，且与第二前驱体反应物发生反应；反应后的纳米颗粒经第二旋转给料装置进入第二清洗室，并在第二清洗室内部通过气体吹扫清洗掉反应副产物，最后送入出料仓中。

作为进一步优选的，所述超声振动网为锥形，并且设置有多层，其通过超声振动以打散纳米颗粒之间的团聚。

作为进一步优选的，所述超声振动网的超声振动频率为30000Hz-40000Hz。

作为进一步优选的，所述第一反应室包括第一反应腔体、设于第一反应腔体侧面的第一前驱体反应物进气口以及设于第一反应腔体上方的第一前驱体反应物抽气口。

作为进一步优选的，所述第二反应室包括第二反应腔体、设于第二反应腔体侧面的第二前驱体反应物进气口以及设于第二反应腔体上方的第二前驱体反应物抽气口。

作为进一步优选的，所述第一清洗室和第二清洗室结构相同，均包括清洗室腔体以及设于清洗室腔体上的惰性气体进气口和清洗室抽气口，其中惰性气体进气口用于向清洗室内通入惰性气体以清洗纳米颗粒表面多余的前驱体反应物和反应副产物，清洗室抽气口与真空泵相连，用于抽除清洗室中的气体以维持清洗室内部的真空状态。

作为进一步优选的，经过第一清洗室清洗后的纳米颗粒通过传送带送入第二反应室中，该传送带与第一清洗室之间设有第三旋转给料装置。

作为进一步优选的，所述第二清洗室与出料仓之间设有第四旋转给料装置。

作为进一步优选的，所述第一旋转给料装置至第四旋转给料装置的结构相同，包括开设有进料口和出料口的给料腔体以及设于给料腔体内部的转子和隔离组件，所述转子内开设有凹槽，所述隔离组件包括滑片以及设置在滑片上的弹簧，所述滑片安装弹簧的一端插入所述凹槽中，以此通过弹簧的作用力使得滑片始终与给料腔体的内壁接触，并通过转子的间歇旋转运动带动弹簧及滑片运动，从而实现反应过程中的定量给料。

作为进一步优选的，所述进料仓包括进料仓体以及设于进料仓体上的进料仓真空阀门和进料仓抽气口，其中进料仓真空阀门用于实现进料仓与第一反应室和外部环境实现隔离和连通，进料仓抽气口用于抽除进料仓中的气体进而保持其真空度。

作为进一步优选的，所述出料仓包括出料仓体以及设于出料仓体上的出料仓真空阀门和出料仓充气口，其中出料仓真空阀门用于实现出料仓与第二反应腔室和外部环境实现隔离和连通，出料仓充气口用于抽除出料仓中的气体进而保持其真空度。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，改进了纳米颗粒原子层沉积的设备及方法，与现有技术相比，能够取得以下有效效果：

1.本发明通过在反应腔体内部设置超声振动网，通过筛网的高频振动克服纳米颗粒间的相互作用力，从而达到避免纳米颗粒团聚的效果。

2.本发明中的超声振动网为锥形，纳米颗粒在通过超声振动网的过程中，会受到重力和超声振动所产生的力的作用，从而使得从超声振动网边缘下落的纳米颗粒多于从超声振动网中间下落的纳米颗粒，而前驱体反应物从反应腔体侧壁通入，使得超声振动网边缘前驱体反应物的浓度大于中间位置前驱体反应物的浓度，以此使得超声振动网中间及两边的纳米颗粒量与通入的前驱体反应物的量对应，以提高前驱体的利用率。

3.本发明中设有旋转给料装置，由于弹簧的弹力作用，该装置的滑片在转动过程中与旋转给料结构的内壁一直处于接触状态，在一定程度上能够实现两个腔体之间的隔离，同时通过控制旋转给料装置的旋转速度实现控制反应过程中的定量给料。

4.本发明中进料仓和出料仓两端均设有阀门和抽气口，该设计能够实现在颗粒进入反应腔体和离开反应腔体过程中与外界环境的有效隔离，保证反应腔体在反应过程中保持真空状态并能够通过进料仓和出料仓控制纳米颗粒进出反应腔体，保证原子层沉积反应的连续进行。

附图说明

图1为本发明实施例提供的用于纳米颗粒包覆的连续原子层沉积设备的结构示意图。

图2为本发明的旋转给料装置的结构示意图。

图3为本发明的旋转给料装置的局部视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提供的一种用于纳米颗粒表面包覆的连续原子层沉积设备，包括进料仓4、第一反应室、第二反应室和出料仓17，其中，进料仓4用于控制纳米颗粒进入第一反应室，纳米颗粒在第一反应室内部利用超声振动网9被打散，并与第一前驱体反应物发生反应；反应后的纳米颗粒经第一旋转给料装置7进入第一清洗室12，并在第一清洗室12内部通过气体吹扫清洗掉反应副产物；经过第一清洗室清洗后的纳米颗粒送入第二反应室中，并在第二反应室内部利用超声振动网9被打散，且与第二前驱体反应物发生反应；反应后的纳米颗粒经第二旋转给料装置进入第二清洗室，并在第二清洗室内部通过气体吹扫清洗掉反应副产物，最后送入出料仓17中。通过上述各部件的相互配合，实现纳米颗粒连续均匀的沉积，无团聚现象。

下面将逐一对各个部件进行更为详细的描述。

如图1所示，进料仓4用于控制纳米颗粒进入第一反应室，其包括进料仓体以及设于进料仓体上的进料仓真空阀门6和进料仓抽气口5，其中，进料仓真空阀门用于实现进料仓与第一反应室和外部环境有选择的实现隔离和连通，进料仓抽气口用于抽除进料仓中的气体进而保持其真空度。所述真空阀门设置有两个，实际操作时进料仓靠近外界环境的真空阀门打开使纳米颗粒进入进料仓，随后关闭该阀门并通过进料仓抽气口对进料仓体进行抽真空，待进料仓体内的真空度与第一反应腔体真空度相同或相近时，停止对进料仓体进行抽真空，并打开进料仓与第一反应室相连的真空阀门，使纳米颗粒从进料仓进入第一反应腔体。

如图1所示，出料仓17用于控制纳米颗粒从第二清洗室取出，其包括出料仓体以及设于出料仓体上的出料仓真空阀门19和出料仓充气口18，其中出料仓真空阀门用于实现出料仓与第二反应腔室和外部环境实现隔离和连通，出料仓充气口用于抽除出料仓中的气体进而保持其真空度。具体的，出料仓真空阀门设置有两个，出料仓分别通过真空阀门与第二清洗室和外界环境相连，控制纳米颗粒离开整个沉积设备，纳米颗粒离开沉积设备时，出料仓靠近第二清洗室的真空阀门打开使纳米颗粒进入出料仓，随后关闭该阀门并通过出料仓充气口对出料仓中充入惰性气体，待出料仓压强与外界环境压强相同或相近时，停止对出料仓充气并打开出料仓与外界环境相连的真空阀门，使纳米颗粒从出料仓进入外界被收集。

具体的，如图1所示，超声振动网为锥形振动网，其通过超声振动以打散纳米颗粒之间的团聚，超声振动网的超声振动频率为30000Hz-40000Hz，在该振动频率下，使得高频振动产生的力大于颗粒之间的团聚力，以有效防止颗粒团聚。同时，超声振动的引入能够有效的防止筛网堵塞。锥形振动网的锥角在上，即呈倒V形布置，并且布置有多层，多层锥形振动网上下依次布置。

如图1所示，第一反应室包括第一反应腔体1、设于第一反应腔体侧面的第一前驱体反应物进气口2以及设于第一反应腔体上方的第一前驱体反应物抽气口3，第一反应腔体1内置有超声振动网，纳米颗粒在第一反应腔体内被超声振动网打散并与第一前驱体反应物发生反应，其通过第一前驱体反应物进气口2供给第一种前驱体反应物，使其与纳米颗粒表面发生反应而吸附于纳米颗粒表面，第一前驱体反应物抽气口3与真空泵相连，用以抽除反应副产物和未参与反应的前驱体反应物，同时维持反应过程中所需的真空度。

如图1所示，第二反应室包括第二反应腔体14、设于第二反应腔体侧面的第二前驱体反应物进气口16以及设于第二反应腔体上方的第二前驱体反应物抽气口15，第二反应腔体14内置有超声振动网，纳米颗粒在第二反应腔体内被超声振动网打散并与第二前驱体反应物发生反应，其通过第二前驱体反应物进气口16供给第二种前驱体反应物，使其与吸附于纳米颗粒表面的第一种前驱体反应物发生反应而形成薄膜，第二前驱体反应物抽气口15与真空泵相连，用以抽除反应副产物和未参与反应的前驱体反应物，同时维持反应过程中所需的真空度。具体的，第一反应室和第二反应室外部均设有加热和保温装置10。

具体的，第一清洗室和第二清洗室通过不断向通入惰性气体使纳米颗粒在清洗室中流化清洗，两者结构相同，如图1所示，第一清洗室和第二清洗室均包括清洗室腔体和设于清洗室腔体上的惰性气体进气口11和清洗室抽气口8，其中惰性气体进气口设于清洗室腔体的下方及侧面，用于向清洗室腔体内通入惰性气体以清洗纳米颗粒表面多余的前驱体反应物和反应副产物，清洗时，通过进气口向清洗室腔体内不断通入惰性气体，同时抽气口始终与真空泵相连，未反应的前驱体和反应副产物被真空泵从抽气口抽走，实现颗粒的清洗。清洗室抽气口设于清洗室腔体的上方，其与真空泵相连，用于抽除清洗室腔体中的气体以维持清洗室内部的真空状态，纳米颗粒在清洗过程中，清洗室抽气口始终连接真空泵进行抽真空，清洗完成后，关闭真空泵使得纳米颗粒落下并通过旋转给料装置进入下一个腔体中。具体的，第一清洗室的清洗室腔体通过第一旋转给料装置与第一反应室的第一反应腔体1导通，第二清洗室的清洗室腔体通过第二旋转给料装置与第二反应室的第二反应腔体14导通。

具体的，经过第一清洗室清洗后的纳米颗粒通过传送带13送入第二反应室中，该传送带与第一清洗室之间设有第三旋转给料装置，该第三旋转给料装置用于将第一清洗室与传送带导通，以将经第一清洗室清洗后的物料供给至传送带上，然后通过该传送带将清洗后的物料送至第二反应室中。

进一步的，第二清洗室与出料仓之间设有第四旋转给料装置，该第四旋转给料装置用于将第二清洗室与出料仓导通，以将经第二清洗室清洗后的物料送入出料仓中。

具体的，第一旋转给料装置至第四旋转给料装置的结构相同，如图2所示，均包括给料腔体以及设于给料腔体内部的转子20和隔离组件，该给料腔体上部设有进料口，下部设有出料口，用于将反应腔体与清洗室的清洗腔体导通，或将清洗室的清洗腔体与传送带导通，或者将清洗室的清洗腔体与出料仓导通，该隔离组件用于将给料腔体隔离成多个子腔体。如图2所示，隔离组件包括滑片22以及设置在滑片一端上的弹簧21，所述转子20上开设有凹槽，滑片22安装弹簧的一端插入转子的凹槽中，如图2所示，弹簧处于压紧状态，工作时滑片受弹簧弹性力的作用始终与给料腔体的内壁接触，以将给料腔体分成多个子腔体，同时，随着使用，滑片的末端逐渐磨损，这时通过弹簧的弹力仍然能保证滑片末端与给料腔体内壁始终接触。该旋转给料装置通过转子的间歇旋转运动带动弹簧及滑片间歇旋转，从而实现反应过程中的定量给料，即通过旋转给料装置的间歇转动控制纳米颗粒在第一反应腔体与第一清洗室之间、第一清洗室与传送带之间、第二反应腔体与第二清洗室之间、第二清洗室与出料仓之间传递。如图2所示，共设置有三组隔离组件，以将给料腔体分为三个子腔体。

优选的，如图3所示，转子的凹槽内设置有导向柱23，弹簧21套装在导向柱23上，在安装和旋转过程中该导向柱起到保护弹簧，防止弹簧向侧面崩开的作用。进一步的，旋转给料装置的旋转速度为5-30r/min，间歇时间与反应过程中粉体的落料快慢有关，一般间歇时间为5s-30s。

下面对本发明的连续原子层沉积设备的工作过程进行说明。

用于纳米颗粒包覆的连续原子层沉积设备通过化学吸附和反应对进入反应腔体中的纳米颗粒进行包覆，第一反应室和第二反应室的温度可维持在前驱体反应物不产生分解的温度范围内，每个反应室的反应腔体只通入一种前驱体反应物，纳米颗粒首先与一种前驱体反应物反应，然后进入另一个反应腔体与另一种前驱体反应物发生反应。

首先打开进料仓靠近外界环境的真空阀门，使纳米颗粒进入进料仓，随后关闭该阀门，通过进料仓抽气口5对进料仓进行抽真空，待进料仓真空度与第一反应腔体的真空度相同或相近时，停止对进料仓进行抽气，打开进料仓靠近第一反应腔体的阀门，使纳米颗粒进入第一反应腔体，随后关闭该阀门。重复上述步骤可以将纳米颗粒连续的输送到具有一定真空度的反应腔体中。

纳米颗粒进入第一反应腔体1后，在锥形超声振动网的作用下，纳米颗粒之间的团聚不断地被破坏，形成的分散的纳米颗粒在重力和振动力的作用下从滤网中通过，到达下一层滤网，由于超声振动所使用的滤网呈正锥形，从滤网边缘下落的纳米颗粒数量多于从滤网中心处下落的纳米颗粒数量，在这个过程中第一种前驱体反应物从第一前驱体反应物进气口2通入反应腔体中，第一前驱体反应物进气口设在反应腔体的侧壁上，因此，从侧壁到反应腔体的中心位置前驱体反应物的浓度逐渐降低，使得纳米颗粒数量较多处通入较多的前驱体反应物(即浓度较高)，以此有利于提高前驱体的利用率。

纳米颗粒通过超声振动滤网之后通过旋转给料装置进入第一清洗室中，随后，在整个清洗室中充入惰性气体的同时利用真空泵对清洗室进行抽真空，使得清洗过程一直处于真空状态，并使得纳米颗粒在气流的作用下在清洗室中不断的被吹起并落下，经过一段时间的清洗之后，停止充入惰性气体同时停止对清洗室进行抽真空，纳米颗粒在重力的作用下落到清洗室底部，通过旋转给料装置下落到传送带上，惰性气体的流量为10-500sccm。

纳米颗粒在传送带的输运作用下进入第二反应腔体14，第二种前驱体反应物通过第二前驱体反应物进气口16进入第二反应腔体，与纳米颗粒表面的化学基团反应形成薄膜，完成反应的纳米颗粒通过旋转给料装置进入第二清洗室对纳米颗粒进行清洗。

清洗完成后的纳米颗粒从出料仓17离开反应系统，纳米颗粒离开反应系统时，首先打开出料仓靠近第二清洗室一侧的真空阀门，使纳米颗粒由清洗室进入出料仓，随后关闭该阀门同时经由出料仓进气口18向出料仓内充入惰性气体，待出料仓中的压强与外界压强相同或相近时，停止充气同时打开出料仓靠近外界环境一侧的真空阀门，使纳米颗粒进入外界环境被收集。

纳米颗粒从进料仓进入反应腔体到从出料仓离开清洗室完成一个原子层沉积反应循环。在纳米颗粒表面需要沉积多层薄膜或者厚度更厚的薄膜时，只需将出料仓的出料口与进料仓的进料口相连，让纳米颗粒多次经过两个反应腔体即可完成更厚薄膜的包覆。

本发明的用于纳米颗粒包覆的连续原子层沉积设备通过超声振动的方式克服纳米颗粒之间的团聚，通过锥形筛网的振动增大纳米颗粒与前驱体反应物之间的相互接触几率，提高前驱体的利用率，实现在薄膜在颗粒表面的均匀沉积，同时通过设置独立连续的反应腔体和清洗室实现纳米颗粒表面薄膜的连续沉积。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于纳米颗粒表面包覆的连续原子层沉积设备，其特征在于，包括进料仓、第一反应室、第二反应室和出料仓，其中：

所述进料仓用于控制纳米颗粒进入所述第一反应室，纳米颗粒在第一反应室内部利用多层的锥形超声振动网被打散，并与第一前驱体反应物发生反应，反应后的纳米颗粒堆积在第一反应室的底部；反应后的纳米颗粒经第一旋转给料装置进入第一清洗室，并在第一清洗室内部通过气体吹扫清洗掉反应副产物，清洗完成的纳米颗粒堆积在第一清洗室的底部；经过第一清洗室清洗后的纳米颗粒通过第三旋转给料装置送入传送带，再通过传送带送入第二反应室中，并在第二反应室内部利用多层的锥形超声振动网被打散，且与第二前驱体反应物发生反应，反应后的纳米颗粒堆积在第二反应室的底部；反应后的纳米颗粒经第二旋转给料装置进入第二清洗室，并在第二清洗室内部通过气体吹扫清洗掉反应副产物，清洗完成的纳米颗粒堆积在第二清洗室的底部，最后通过第四旋转给料装置送入出料仓中；

所述第一旋转给料装置至第四旋转给料装置的结构相同，包括开设有进料口和出料口的给料腔体以及设于该给料腔体内部的转子(20)和三组隔离组件，所述转子(20)内开设有凹槽，每组所述隔离组件包括滑片(22)以及设置在滑片上的弹簧(21)，所述滑片安装弹簧的一端插入所述凹槽中，以此通过弹簧的作用力使得滑片始终与给料腔体的内壁接触，并通过转子的间歇旋转运动带动弹簧及滑片运动，从而实现反应过程中的定量给料；所述进料仓和出料仓均包括仓体及设于仓体上的抽气口和两个真空阀门，通过双真空阀门实现在纳米颗粒进入反应室和离开反应室过程中与外界环境的有效隔离，保证反应室在反应过程中保持真空状态，通过抽气口实现气体的抽除进而保持真空度。

2.如权利要求1所述的用于纳米颗粒表面包覆的连续原子层沉积设备，其特征在于，所述超声振动网的超声振动频率为30000Hz-40000Hz。

3.如权利要求1所述的用于纳米颗粒表面包覆的连续原子层沉积设备，其特征在于，所述第一反应室包括第一反应腔体、设于第一反应腔体侧面的第一前驱体反应物进气口以及设于第一反应腔体上方的第一前驱体反应物抽气口。

4.如权利要求1所述的用于纳米颗粒表面包覆的连续原子层沉积设备，其特征在于，所述第二反应室包括第二反应腔体、设于第二反应腔体侧面的第二前驱体反应物进气口以及设于第二反应腔体上方的第二前驱体反应物抽气口。

5.如权利要求1所述的用于纳米颗粒表面包覆的连续原子层沉积设备，其特征在于，所述第一清洗室和第二清洗室结构相同，均包括清洗室腔体以及设于清洗室腔体上的惰性气体进气口和清洗室抽气口，其中惰性气体进气口用于向清洗室内通入惰性气体以清洗纳米颗粒表面多余的前驱体反应物和反应副产物，清洗室抽气口与真空泵相连，用于抽除清洗室中的气体以维持清洗室内部的真空状态。

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