近日，我校化工学院功能膜与电子化学品团队青年教师庄黎伟博士，与美国约翰霍普金斯大学、北卡罗来纳州立大学等单位合作，开发了一套原子层沉积（ALD）技术在多孔材料纳米孔道内进行薄膜沉积的数值模型，可用于预测2-5纳米孔道内前驱体扩散、吸附、脱附、沉积反应以及孔道收缩直至堵塞的动态过程。该研究工作以“Modeling of deposit formation in mesoporous substrates via atomic layer deposition: insights from pore-scale simulation”为题（DOI：10.1002/aic.17889），发表于美国化学工程师协会会刊AIChE Journal上。
图片说明：AIChE, e17889（左）；AIChE, e17305封面&编辑之选（右）
作为集成电路先进制程中薄膜沉积的核心工艺，ALD可以在大尺寸（8-12英寸）晶圆纳米孔道内沉积埃米级精度的功能薄膜。基于ALD薄膜的保型性和均匀性，美国约翰霍普金斯大学Michael Tsapatsis教授和威斯康辛大学的Xiaoli Ma教授，前期开发了以ALD为核心单元操作（Unit operation）的“配体诱导选择性渗透化（Ligand-induced permselectivation, LIPS）”方法，制备了高性能丙烯-丙烷ZIF气体分离膜（Science, 2018, 361(6406): 1008-1011）。针对ZIF气体分离膜制备过程优化和放大问题，庄黎伟博士前期从反应器传递过程入手，联合Peter Corkery博士、Dennis T. Lee博士，共同建立了Veeco Savannah S200型号ALD反应器CFD模型和模拟技术（AIChE，e17305封面&编辑之选）。近期，庄黎伟博士与美国高校远程合作，共同开发了介孔基底内ALD薄膜沉积过程的动力学模型，预测了2-5纳米孔道内反应-扩散以及孔道随ALD循环数收缩直至堵塞的过程，提出了平面型和深孔型同步沉积机理，最后通过膜分离渗透性实验和在线石英晶体微天平（QCM）实验验证了模型和机理（AIChE，e17889）。相关研究工作为基于ALD技术分离膜制备过程的优化和放大奠定了理论和技术基础，其模型和模拟方法已应用于多种商业化ALD反应器的优化和新型ALD反应器的开发。
上述研究共同第一作者分别为我校化工学院硕士研究生顾皓（导师：许振良教授）和约翰霍普金斯大学Dennis T. Lee博士、Peter Corkery博士，通讯作者为我校化工学院青年教师庄黎伟博士和美国工程院院士Michael Tsapatsis教授。计算模拟研究得到了美国工程院院士Yannis Kevrekidis教授的指导。ALD-QCM实验得到了ALD领域著名学者Gregory Parsons教授及其团队的协助。我校化工学院许振良教授和戴干策教授给予了大力指导与帮助。研究工作得到了国家自然科学基金委和美国能源部的资助。