近日，我校化工學(xué)院功能膜與電子化學(xué)品團(tuán)隊(duì)青年教師莊黎偉博士，與美國約翰霍普金斯大學(xué)、北卡羅來納州立大學(xué)等單位合作，開發(fā)了一套原子層沉積（ALD）技術(shù)在多孔材料納米孔道內(nèi)進(jìn)行薄膜沉積的數(shù)值模型，可用于預(yù)測(cè)2-5納米孔道內(nèi)前驅(qū)體擴(kuò)散、吸附、脫附、沉積反應(yīng)以及孔道收縮直至堵塞的動(dòng)態(tài)過程。該研究工作以“Modeling of deposit formation in mesoporous substrates via atomic layer deposition: insights from pore-scale simulation”為題（DOI：10.1002/aic.17889），發(fā)表于美國化學(xué)工程師協(xié)會(huì)會(huì)刊AIChE Journal上。

圖片說明：AIChE, e17889（左）；AIChE, e17305封面&編輯之選（右）

作為先進(jìn)制程中薄膜沉積的核心工藝，ALD可以在大尺寸（8-12英寸）晶圓納米孔道內(nèi)沉積埃米級(jí)精度的功能薄膜。基于ALD薄膜的保型性和均勻性，美國約翰霍普金斯大學(xué)Michael Tsapatsis教授和威斯康辛大學(xué)的Xiaoli Ma教授，前期開發(fā)了以ALD為核心單元操作（Unit operation）的“配體誘導(dǎo)選擇性滲透化（Ligand-induced permselectivation, LIPS）”方法，制備了高性能丙烯-丙烷ZIF氣體分離膜（Science, 2018, 361(6406): 1008-1011）。針對(duì)ZIF氣體分離膜制備過程優(yōu)化和放大問題，莊黎偉博士前期從反應(yīng)器傳遞過程入手，聯(lián)合Peter Corkery博士、Dennis T. Lee博士，共同建立了Veeco Savannah S200型號(hào)ALD反應(yīng)器CFD模型和模擬技術(shù)（AIChE，e17305封面&編輯之選）。近期，莊黎偉博士與美國高校遠(yuǎn)程合作，共同開發(fā)了介孔基底內(nèi)ALD薄膜沉積過程的動(dòng)力學(xué)模型，預(yù)測(cè)了2-5納米孔道內(nèi)反應(yīng)-擴(kuò)散以及孔道隨ALD循環(huán)數(shù)收縮直至堵塞的過程，提出了平面型和深孔型同步沉積機(jī)理，最后通過膜分離滲透性實(shí)驗(yàn)和在線石英晶體微天平（QCM）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型和機(jī)理（AIChE，e17889）。相關(guān)研究工作為基于ALD技術(shù)分離膜制備過程的優(yōu)化和放大奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)，其模型和模擬方法已應(yīng)用于多種商業(yè)化ALD反應(yīng)器的優(yōu)化和新型ALD反應(yīng)器的開發(fā)。

上述研究共同第一作者分別為我校化工學(xué)院碩士研究生顧皓（導(dǎo)師：許振良教授）和約翰霍普金斯大學(xué)Dennis T. Lee博士、Peter Corkery博士，通訊作者為我校化工學(xué)院青年教師莊黎偉博士和美國工程院院士Michael Tsapatsis教授。計(jì)算模擬研究得到了美國工程院院士Yannis Kevrekidis教授的指導(dǎo)。ALD-QCM實(shí)驗(yàn)得到了ALD領(lǐng)域著名學(xué)者Gregory Parsons教授及其團(tuán)隊(duì)的協(xié)助。我校化工學(xué)院許振良教授和戴干策教授給予了大力指導(dǎo)與幫助。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委和美國能源部的資助。

原文鏈接：https://aiche.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aic.17889