原子層沉積ALD在納米材料方面的應(yīng)用
在微納集成器件進一步微型化和集成化的發(fā)展趨勢下，現(xiàn)有器件特征尺寸已縮小至深亞微米和納米量級，以突破常規(guī)尺寸的極限實現(xiàn)超微型化和高功能密度化，成為近些年來的熱點研究領(lǐng)域。微納結(jié)構(gòu)器件不僅對功能薄膜本身的厚度和質(zhì)量要求嚴格，而且對功能薄膜/基底之間的界面質(zhì)量也十分敏感，尤其是隨著復(fù)雜高深寬比和多孔納米結(jié)構(gòu)在微納器件中的應(yīng)用，傳統(tǒng)的薄膜制備工藝越來越難以滿足其發(fā)展需求。ALD 技術(shù)沉積參數(shù)高度可控，可在各種尺寸的復(fù)雜三維微納結(jié)構(gòu)基底上，實現(xiàn)原子級精度的薄膜形成和生長，可制備出高均勻性、高精度、高保形的納米級薄膜。
微機電系統(tǒng)(MEMS)是尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級，是一個獨立的智能系統(tǒng)，主要由傳感器、動作器(執(zhí)行器)和微能源三大部分組成，廣泛應(yīng)用于智能系統(tǒng)、消費電子、可穿戴設(shè)備、智能家居、系統(tǒng)生物技術(shù)的合成生物學(xué)與微流控技術(shù)等領(lǐng)域。MEMS的構(gòu)造過程需要精細的微納加工技術(shù)，而工作過程伴隨著器件復(fù)雜的三維運動，其中ALD技術(shù)均可發(fā)揮重要作用，ALD具有高致密性以及高縱寬比結(jié)構(gòu)均勻性，為MEMS機械耐磨損層、抗腐蝕層、介電層、憎水涂層、生物相容性涂層、刻蝕掩膜層等提供優(yōu)質(zhì)解決方案。
磁隧道結(jié)(MTJ)是由釘扎層、絕緣介質(zhì)層和自由由層的多層堆垛組成。在電場作用下，電子會隧穿絕緣層勢壘而垂直穿過器件，電子隧穿的程度依賴于釘扎層和自由層的相對磁化方向。隨著MTJ尺寸的不斷縮小以及芯片集成度的不斷提高，MTJ制備過程中的薄膜生長工藝偏差和刻蝕工藝偏差的存在，將會導(dǎo)致MTJ狀態(tài)切換變得不穩(wěn)定，并降低MTJ的讀取甚至?xí)䥽乐赜绊慛V-FA電路中寫入功能和邏輯運算結(jié)果輸出功能的正確性。ALD技術(shù)沉積參數(shù)高度可控，可通過精準控制循環(huán)數(shù)來控制MTJ所需達到的各項參數(shù)，是適用于MTJ制造的最佳工藝方案之一。
圖四：一種具有納米蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)的細菌纖維素膜
圖一: ALD Al2O3(僅~10 nm)可作為MEMS齒輪高硬度潤滑膜
圖二：ALD應(yīng)用于低溫MEMS器件構(gòu)造
圖三：MRAM磁隧道結(jié)（MTJ）存儲元件
生物物理學(xué)微流體器件可由單個納米孔和電極組成，也可以由許多納米孔陣列組成，可同時篩選、引導(dǎo)、定位、測量不同尺度的生物大分子，在生物物理學(xué)和生物技術(shù)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。生物納米孔逐漸受到了人們的普遍重視引起了人們的廣泛興趣，尤其是納米孔作為生物聚合物的檢測器件，為一些生物化學(xué)現(xiàn)象的基礎(chǔ)研究提供了研究的平臺。然而生物納米孔所固有的一些缺陷也很明顯，如生物相容性差及微孔的尺寸不可更改等；針對于此，ALD技術(shù)可通過表面修飾，改善納米孔的生物相容性，同時提升抗菌抑菌和促進細胞合成。
圖四：一種具有納米蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)的細菌纖維素膜
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