本實用新型涉及原子層沉積技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種在粉末表面均勻鍍膜的原子層沉積裝置。

背景技術(shù)：

微納米尺寸的粉末材料，因為表現(xiàn)出諸多優(yōu)異的物化性能而在諸如電池電極材料、催化劑等領(lǐng)域應用廣泛，如果能在其表面均勻鍍上一層納米級薄膜，將會帶來更多積極的效果。目前主要是利用固相法、液相法和氣相法在微納米粉末表面鍍膜，但這些方法都無法同時解決均勻鍍膜、膜厚精確控制等問題。

原子層沉積技術(shù)是一種利用反應氣體在材料表面交替飽和自吸附并發(fā)生化學反應生成目標物質(zhì)的氣相化學氣相沉積技術(shù)。到目前為止，原子層沉積方法是唯一可以在大的比表面積材料表面均勻鍍膜且精確控制膜厚的技術(shù)，但這些應用多是材料表面完全暴露在空氣中的情況。

對于粉末材料而言，即使是常規(guī)的原子層沉積方法也很難在其表面均勻鍍膜，原因主要有兩點：第一，粉末材料會出現(xiàn)相互接觸、團聚等現(xiàn)象，現(xiàn)有改進的原子層沉積方法采用的是利用強氣流吹起粉末，使其流化，但該方式的缺點在于：在強氣流作用下，反應氣體在粉末表面吸附能力以及表面反應的穩(wěn)定性都將受到很大影響，會表現(xiàn)膜厚不均勻的問題。第二，常規(guī)的原子層沉積方法都從粉末外部進源（即輸入反應氣體和清洗氣體），然后利用自由擴散、保壓擴散、粉末流化擴散等方式將反應氣體和清洗氣體輸送至粉末內(nèi)部，但外部進源方式會增加很大的時間成本，這種時間成本大于粉末表面原子層沉積鍍膜帶來的價值提升，并且，當粉末量增加時，上述常規(guī)的進源方式甚至都無法完全將反應氣體和清洗氣體輸送至粉末的每個區(qū)域，所以產(chǎn)量也很小。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種在粉末表面均勻鍍膜的原子層沉積裝置，高效均勻，操作簡便。

為了實現(xiàn)上述實用新型目的，本實用新型提供以下技術(shù)方案：一種在粉末表面均勻鍍膜的原子層沉積裝置，包括電機、旋轉(zhuǎn)多孔進源器、反應腔、加熱器、進氣管路和抽氣管路，旋轉(zhuǎn)多孔進源器由空心軸和槳葉構(gòu)成，空心軸兩端為密封的，側(cè)壁上設(shè)有氣孔，槳葉螺旋固定在空心軸上，槳葉上設(shè)有與空心軸連通的微孔；旋轉(zhuǎn)多孔進源器架設(shè)在反應腔內(nèi)，上端與電機軸連接，進氣管路與空心軸連通，抽氣管路與反應腔連通；加熱器包覆反應腔外壁上。

進一步地，槳葉為若干個，為多層螺旋設(shè)置。

進一步地，槳葉為整體螺旋狀，使所述反應腔中的粉末不斷上下交換。

進一步地，反應腔內(nèi)設(shè)有過濾網(wǎng)，抽氣管路與過濾網(wǎng)上部空腔連通。

進一步地，抽氣管路上設(shè)有粉末收集器。

進一步地，槳葉材質(zhì)為多孔金屬、多孔陶瓷或多孔薄膜。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下優(yōu)點：采用向攪拌的粉末內(nèi)部通入反應氣，以及反應后及時進行清洗，循環(huán)進行，可實現(xiàn)在粉末表面均勻鍍膜，可操縱性好。能有效解決因粉末存在剛性接觸點及粉末團聚而不能在其表面均勻鍍膜的問題，同時通過分布在旋轉(zhuǎn)流化葉片上的大量微納米氣孔向整個粉末內(nèi)部均勻注入反應氣體和清洗氣體，有效縮短了反應時間，提高鍍膜效率。

附圖說明

圖1為本實用新型在粉末表面均勻鍍膜的原子層沉積裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為旋轉(zhuǎn)多孔進源器的外觀示意圖；

其中各附圖標記為：1電機、2磁流體密封件、3反應腔、5旋轉(zhuǎn)多孔進源器、6粉末過濾網(wǎng)、7粉末收集器、8截止閥門、9真空計、10真空泵、11ALD電磁三通閥、12第一種反應物料源瓶、13第二種反應物料源、14壓力傳感器、15質(zhì)量流量控制器、16進氣管路、17截止閥門、19加熱器。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型進行詳細描述，本部分的描述僅是示范性和解釋性，不應對本實用新型的保護范圍有任何的限制作用。

如圖1和2所示，一種在粉末表面均勻鍍膜的原子層沉積裝置，包括電機1、旋轉(zhuǎn)多孔進源器5、反應腔3、加熱器19、進氣管路16和抽氣管路，其中：

所述旋轉(zhuǎn)多孔進源器5由旋轉(zhuǎn)軸和葉片構(gòu)成,旋轉(zhuǎn)軸為兩端密封的空心結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)軸表面設(shè)置大量的微納米氣孔，這些氣孔與旋轉(zhuǎn)軸的內(nèi)部空間連通，旋轉(zhuǎn)軸上部連通所述進氣管路16；葉片螺旋固定在旋轉(zhuǎn)軸上，內(nèi)部為空心，且與旋轉(zhuǎn)軸的內(nèi)部空間連通，葉片表面分布大量的微納米氣孔，這些氣孔與葉片內(nèi)部空間連通進而與旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)部空間連通，最終與所述進氣管路16連通。

所述旋轉(zhuǎn)多孔進源器5架設(shè)在所述反應腔3內(nèi)部，上端通過磁流體密封件2與所述電機1相連，所述電機1帶動所述旋轉(zhuǎn)多孔進源器5以設(shè)定速率旋轉(zhuǎn)。

所述反應腔3內(nèi)部裝有粉末，粉末樣品包裹在所述旋轉(zhuǎn)多孔進源器5外表面周圍，尤其是包裹旋轉(zhuǎn)軸和葉片上的微納米氣孔；所述旋轉(zhuǎn)多孔進源器5在旋轉(zhuǎn)時將所述反應腔3中的粉末均勻流化。

所述進氣管路16用于向所述旋轉(zhuǎn)多孔進源器5空心旋轉(zhuǎn)軸中輸入反應氣體和清洗氣體，反應氣體和清洗氣體通過所述旋轉(zhuǎn)多孔進源器5旋轉(zhuǎn)軸上的及葉片上的微納米氣孔均勻注入粉末內(nèi)部；利用所述旋轉(zhuǎn)多孔進源器5將反應氣體和清洗氣體的進源口數(shù)量從單個增加到數(shù)以萬億計，這些進源口被粉末包覆并隨著葉片4以特定方式運動，均勻流化粉末的同時又使得不同粉末顆粒與進源口接觸的統(tǒng)計概率相同。

進氣管路16上設(shè)有壓力傳感器14、質(zhì)量流量控制器15和截止閥門17。

所述抽氣管路對所述反應腔3抽氣，用于抽走過量的反應氣體、反應副產(chǎn)物及清洗氣體，也可使得所述反應腔3內(nèi)部達到目標真空度。

所述反應腔3周圍設(shè)置加熱器19，用于加熱粉末樣品，使得反應氣體在設(shè)定的溫度下發(fā)生原子層沉積反應，從而在粉末表面成膜。

在抽氣管路上配置截止閥門8，關(guān)閉該閥門可使所述反應腔3內(nèi)部處于過壓狀態(tài)，有益于反應氣體和清洗氣體滲漏進粉末內(nèi)部。

所述旋轉(zhuǎn)多孔進源器5的旋轉(zhuǎn)軸上連接多片葉片，葉片的參數(shù)設(shè)置是為了保證不同區(qū)域的粉末與葉片上微納米氣孔接觸的統(tǒng)計概率相同，從而使得粉末流化更均勻，且反應氣體和清洗氣體均勻注入粉末內(nèi)部。容易理解，對葉片數(shù)量及表面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整，可進一步提高鍍膜效果。

葉片上的進氣孔尺寸為微納米級別，避免粉末進入孔中造成堵塞，葉片的材質(zhì)可以是多孔金屬、多孔陶瓷或其它多孔薄膜。

葉片圍繞所述旋轉(zhuǎn)多孔進源器5的旋轉(zhuǎn)軸外壁呈螺旋組合排布，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢是讓所述反應腔3底部的粉末不斷被傳送到頂部，即反應腔中的粉末不斷上下交換。

葉片數(shù)量為多片，每片均可獨立更換，即葉片上的微納米氣孔可被更換。

在所述反應腔3中高于裝入的粉末上表面的位置，設(shè)置所述粉末過濾網(wǎng)6，避免粉末流化過程中揚起進入抽氣管路。

在所述抽氣管路和所述反應腔3之間設(shè)置粉末收集器7，避免粉末被抽入真空泵。

與現(xiàn)有的粉末鍍膜原子層沉積技術(shù)相比，本實用新型裝置做了粉末流化方式和進源方式的改進，能夠取得如下有益效果：

本實用新型能流化粉末，流化過程中無需強氣流吹動粉末，且旋轉(zhuǎn)流化的速率可根據(jù)粉末的粒徑、粉末的量作調(diào)整。

當粉末樣品量增加時，可只需等比例增加所述反應腔的直徑尺寸、所述旋轉(zhuǎn)多孔進源器的旋轉(zhuǎn)半徑以及所述旋轉(zhuǎn)流化葉片的數(shù)量即可，使得本實用新型既可以用于少量（如1-10g）粉末的表面原子層沉積均勻鍍膜，也可用于大量（如100g-100kg）粉末的表面原子層沉積均勻鍍膜。

本實用新型還在所述反應腔上部設(shè)計了粉末過濾網(wǎng)和粉末收集器，使粉末進入抽氣管路的概率降到很小的值，保證抽氣管路安全以及延長真空泵的使用壽命。

本實用新型的旋轉(zhuǎn)多孔進源器，均勻流化粉末和充當反應氣體和清洗氣體的進樣器。因為旋轉(zhuǎn)多孔進源器始終在旋轉(zhuǎn)并且與粉末接觸，所以利用其代替常規(guī)原子層沉積技術(shù)中單一的反應氣體和清洗氣體進氣口，結(jié)合均勻旋轉(zhuǎn)流化設(shè)計，將以最高的效率將反應氣體和清洗氣體輸送到粉末的內(nèi)部，提高原子層沉積在粉末表面鍍膜的膜厚控制能力和鍍膜效率。另一個方面，被注入粉末內(nèi)部的反應氣體和清洗氣體不斷的被帶到上表面，可提高清洗步驟的效率。第三個方面，在后續(xù)清洗所述旋轉(zhuǎn)多孔進源器時，將其置于清洗溶液中，通過電機帶動旋轉(zhuǎn)，同時向所述旋轉(zhuǎn)攪拌進源器的旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)部通入較高壓力的氣體，因為氣體只能通過旋轉(zhuǎn)多孔進源器上的微納米氣孔排出，可實現(xiàn)快速清洗，提高所述旋轉(zhuǎn)多孔進源器的使用效率，降低使用成本。第四個方面，旋轉(zhuǎn)多孔進源器上的葉片為多片，每片相互獨立且可更換，在某一葉片出現(xiàn)故障后可單獨更換。

在使用時，將粉末放置于反應腔3內(nèi)部，關(guān)閉反應腔3艙門后執(zhí)行以下操作：

（a）打開加熱器19加熱反應腔3；

（b）啟動電機1，旋轉(zhuǎn)多孔進源器5開始旋轉(zhuǎn)流化樣品；

（c）啟動真空泵10，打開抽氣管路上的截止閥門8，進氣管路16上的質(zhì)量流量控制器15控制清洗氣體進入旋轉(zhuǎn)多孔進源器5；

（d）關(guān)閉截止閥門8，第一種反應物料源瓶12管路上的ALD電磁三通閥11打開，多次間隔脈沖第一種反應物料源蒸氣進入進氣管路16，即反應氣體I，隨著載氣進入旋轉(zhuǎn)多孔進源器5中，反應氣體I通過旋轉(zhuǎn)多孔進源器5上的微納米氣孔進入粉末內(nèi)部，在粉末表面飽和自吸附；

（e）打開截止閥門8，清洗氣體進入旋轉(zhuǎn)多孔進源器5進而注入粉末內(nèi)部，清洗去除粉末內(nèi)部及反應腔3中過量的反應氣體I；

（f）關(guān)閉截止閥門8，第二種反應物料源瓶13管路上的ALD電磁三通閥11打開，多次間隔脈沖第二種反應物料源蒸氣進入進氣管路16，即反應氣體II，隨著載氣進入微孔攪拌器5中進而注入粉末內(nèi)部，與之前吸附在粉末表面的反應氣體I反應生成目標物質(zhì)；

（g）打開截止閥門8，清洗氣體進入旋轉(zhuǎn)多孔進源器5進而注入粉末內(nèi)部，清洗去除粉末內(nèi)部及反應腔3中過量的反應氣體II和反應副產(chǎn)物；

（h）重復（d）-（g）步驟多次，最終得到目標厚度的粉末表面鍍膜；

試驗例

下面以在SiO₂粉末（粉末粒徑為10um）上均勻制備一層5nm厚度的Al₂O₃薄膜為例，實際說明所述實用新型的裝置及其方法。

反應開始前，先將一定量的SiO₂粉末裝進反應腔，粉末上表面低于粉末過濾網(wǎng)位置，裝上粉末過濾網(wǎng)，關(guān)閉反應腔艙門；原子層沉積方法制備Al₂O₃需要用到的兩種反應物料三甲基鋁（TMA）和純凈水（H₂O）分別裝在源瓶12中和源瓶13中。

（a）打開加熱器19，開始加熱反應腔3，反應腔溫度加熱到100-400℃，優(yōu)選的為200-300℃；

（b）啟動電機1，旋轉(zhuǎn)多孔進源器5開始旋轉(zhuǎn)流化SiO₂粉末樣品，所述電機1優(yōu)選為轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)，調(diào)節(jié)精度可達0.1轉(zhuǎn)/分鐘，首次開啟電機時，速率應從最小轉(zhuǎn)速緩慢增加，原子層沉積反應開始前，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速介于20～600轉(zhuǎn)/分鐘之間；

（c）啟動真空泵10，打開抽氣管路上的截止閥門8，進氣管路16開始進清洗氣，優(yōu)選清洗氣體為N₂或Ar；

（d）關(guān)閉抽氣管路上的截止閥門8，經(jīng)真空計9調(diào)控反應腔3真空度；打開TMA源瓶12管路上的ALD閥門11,單次打開時間為1s，一共打開10次，每次間隔5s，TMA蒸氣源隨著進氣管路16進入旋轉(zhuǎn)多孔進源器5中進而進入SiO₂粉末內(nèi)部，在SiO₂粉末表面吸附一層TMA單分子層，TMA最后一次脈沖后，抽氣管路上的截止閥門8繼續(xù)關(guān)閉的時間不少于100s；

（e）打開抽氣管路上的截止閥門8，抽走反應腔3中過量的TMA分子，時間不少于30s；

（f）關(guān)閉抽氣管路上的截止閥門8，打開H₂O源瓶13管路上的ALD閥門11，單次打開時間為1s，一共打開10次，每次間隔5s，H₂O蒸氣源隨著進氣管路16進入旋轉(zhuǎn)多孔進源器5中進而進入SiO₂粉末內(nèi)部，與（d）步驟中吸附在SiO₂表面的TMA分子發(fā)生原子層沉積反應，生成目標物質(zhì)Al₂O₃，H₂O源最后一次脈沖后，抽氣管路上的截止閥門8關(guān)閉的時間不少于100s；

（g）打開抽氣管路上的截止閥門8，抽走反應腔3中過量的H₂O分子以及反應副產(chǎn)物CH₄分子，時間不少于30s；

（h）重復（d）-（g）步驟50次，最終得到均勻鍍在SiO₂微球上的5nm厚度Al₂O₃薄膜。

以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。