氣候變化、能源安全和化石燃料短缺促使人們?nèi)パ芯?a href="http://www.yifanfurniture.com/news/search.php?kw=太陽能" target="_blank">太陽能電池、氫燃料電池等清潔、高效的能量轉(zhuǎn)換裝置。燃料電池和太陽能電池需要運(yùn)輸載荷子穿過一個(gè)薄膜來將其發(fā)送給外部電路。因此，能夠沉積優(yōu)質(zhì)、保形、均勻且盡可能?。ㄒ越档捅∧?nèi)載荷子運(yùn)輸帶來的電阻損耗）的薄膜沉積技術(shù)將使上述兩種電池技術(shù)受益。
　　
　　原子層沉積(ALD)是一種已知能夠沉積具有高保形度、高均勻度的薄膜、同時(shí)又能對(duì)薄膜厚度進(jìn)行亞納米級(jí)控制的技術(shù)。ALD是一種改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積技術(shù)，在這種技術(shù)中氣態(tài)前體被脈沖地送入反應(yīng)室內(nèi)。在反應(yīng)室內(nèi)，每個(gè)循環(huán)中，前體都以自限方式與基體反應(yīng)來形成一個(gè)單原子層（理想情況下）。在后半步中，一個(gè)氧化劑脈沖與被吸附的前體反應(yīng)來為另一個(gè)前體層的反應(yīng)準(zhǔn)備好基體。

　
　　圖1是一個(gè)完整的ALD工藝循環(huán)，圖中顯示了前體和氧化劑的兩部分反應(yīng)?？梢灾貜?fù)執(zhí)行這個(gè)循環(huán)來獲得所需厚度的薄膜。由于前體是氣相的，因此不會(huì)限制于視線沉積，而是可以在包括多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)表面在內(nèi)的復(fù)雜幾何形狀上沉積。
　　
　　雖然HfO2等高k值介電材料的ALD在半導(dǎo)體工業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)得到了充分研究，但是薄膜太陽能電池、燃料電池等使用的特殊材料尚未得到廣泛開發(fā)。用于SrO、PbSe、La2O3等材料的市售前體大多數(shù)都是高溫（250°C以上）升華前體，需要使用臭氧等強(qiáng)氧化劑才能以0.1Å/循環(huán)以上的速度生長(zhǎng)。
　　
　　在開發(fā)燃料電池用ALD的過程中，斯坦福大學(xué)機(jī)械工程系面臨著兩大難題：第一個(gè)是能夠以足夠高的速度和純度沉積薄膜的前體的選擇；另一個(gè)是適用于要求的溫度和化學(xué)品環(huán)境的閥門的獲得。
　　
　　本文章提供了一次關(guān)于研究小組如何克服上述困難來實(shí)現(xiàn)薄膜燃料電池用ALD的案例研究。
　　
　　兩大難題
　　
　　結(jié)合使用模型模擬和試驗(yàn)方法完成了從市售產(chǎn)品中選擇前體的工作。通過對(duì)鍵強(qiáng)度的量子物理學(xué)模擬進(jìn)行了化學(xué)反應(yīng)性模型模擬，以確保前體能夠與基體反應(yīng)、在生長(zhǎng)溫度下能夠抗熱分解且對(duì)相似分子是惰性的以實(shí)現(xiàn)ALD的自限性質(zhì)。1
　　
　　根據(jù)模擬結(jié)果選出候選產(chǎn)品后，進(jìn)行試驗(yàn)來測(cè)定各候選前體的氣相壓力，以確保其具有足夠的揮發(fā)性，能夠在低于目標(biāo)生長(zhǎng)溫度350°C的溫度升華。研究發(fā)現(xiàn)，在評(píng)價(jià)過的前體中最具吸引力的是帶有甲基或丙基的環(huán)戊二烯基前體（例如PrMe4C5）。
　　
　　特種材料ALD的另一個(gè)難題是如何設(shè)計(jì)一種能夠耐受200°C以上溫度及反應(yīng)化學(xué)品的閥門。當(dāng)前的趨勢(shì)是使用高前體溫度和特殊化學(xué)品，因此越來越多的ALD應(yīng)用面臨這個(gè)難題。
　　
　　為了避免前體在化學(xué)品瓶與反應(yīng)器之間的流道內(nèi)凝結(jié)，包括閥門在內(nèi)的整個(gè)管路都必須加熱到高于前體升華溫度的溫度（通常高達(dá)250°C）。工藝氣體可能包括有毒前體以及臭氧等強(qiáng)氧化劑，因此閥座材料與化學(xué)品之間的化學(xué)相容性也是一個(gè)必須滿足的要求。
　　
　　對(duì)于任何包含ALD的工藝生產(chǎn)量是一個(gè)影響盈利能力的關(guān)鍵因素，而具有高傳輸能力、快速且可重復(fù)動(dòng)作的閥門也是非常重要的。工業(yè)ALD工藝一般可長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行達(dá)一年，而且ALD工藝環(huán)境的高純要求意味著通常要求超低閥門泄漏率。

圖2. （左圖）通過ALD制造的獨(dú)立燃料電池薄膜。每一面的多孔Pt用于催化劑和電極；氧化釔穩(wěn)定氧化鋯薄膜作為電解液。（右圖）掃描的電子圖顯示ALD覆蓋了一個(gè)側(cè)面的深溝，顯示出了ALD薄膜的一致性。

　　閥門解決方案
　　
　　市場(chǎng)上不存在符合斯坦福大學(xué)的要求、能夠在250°C環(huán)境下工作并且能夠耐受ALD以前沒使用過的化學(xué)品的高生產(chǎn)率閥門。
　　
　　斯坦福大學(xué)找到世偉洛克公司，后者設(shè)計(jì)和生產(chǎn)了一種按訂單設(shè)計(jì)的、能夠滿足該大學(xué)燃料電池應(yīng)用場(chǎng)合的需求的ALD閥門。該公司為滿足斯坦福大學(xué)的需求改造了世偉洛克®原子層沉積(ALD)隔膜閥。2004年世偉洛克推出了最初的半導(dǎo)體制造及其它工業(yè)中高生產(chǎn)率ALD工藝用閥門。像為斯坦福大學(xué)做的一樣，世偉洛克還曾把這種閥門用作用來滿足特殊ALD需求（通常是高溫環(huán)境）的定制訂單的平臺(tái)。
　　
　　世偉洛克ALD閥門是一種能夠以極高速度（高達(dá)每秒10個(gè)循環(huán)）提供一致的、精確定時(shí)的脈沖且循環(huán)壽命長(zhǎng)（>5000萬次循環(huán)）的隔膜控制的關(guān)斷閥。這是一種在半導(dǎo)體工業(yè)取得了高度成功的閥門。
　　
　　了解半導(dǎo)體工業(yè)流體系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合用標(biāo)準(zhǔn)超高純隔膜閥的能力有助于理解世偉洛克ALD隔膜閥設(shè)計(jì)中面對(duì)的困難。標(biāo)準(zhǔn)隔膜閥是一種循環(huán)壽命達(dá)200萬次的大流量（Cv=0.27+/-10%）高性能閥門。開發(fā)ALD隔膜閥之前，人們認(rèn)為能夠提供高速（總響應(yīng)時(shí)間<15ms）、可重復(fù)的脈沖(<1ms)及符合客戶要求的受控流量(+/-3%)且循環(huán)壽命長(zhǎng)（>5000萬次）的氣動(dòng)隔膜閥是不可能實(shí)現(xiàn)的。
　　
　　在為滿足存在高溫和特殊化學(xué)品的斯坦福大學(xué)