設備更新|粉末原子層沉積（PALD）：科研平台建設“新質生產力”

隨著對科技創新的不斷重視和投入，新一輪的大規模設備以舊換政策為廣大高校和研究機構帶來了發展機遇。高質量的科研平台建設是提升研究水平、增強競爭力的關鍵。Forge Nano 的新型粉末原子層沉積設備不僅能夠提升研究質量，還能打通產、學、研三界的橋梁，助力高校在科研的道路上邁出堅實的步伐。

原子層沉積係統新型粉末原子層沉積助力高校平台建設

粉末原子層沉積，利用其平台技術，可以在高比表麵積的粉末顆粒表麵構築超薄的納米塗層或活性組分，開發多種塗層工藝。同時，可將粉體ALD技術進行工業化放大的企業（千噸級粉末處理能力）。羞羞韩漫网站誠摯地邀請廣大科研工作者，利用新型 ALD 平台開發可放大的粉體塗層工藝，為催化、新能源、粉末冶金以及製藥等研究方向帶來更多無限可能。

Part 01.關於粉末原子層沉積技術

粉末技術經過多年的發展，已經形成多樣化的製備及加工技術。表麵包覆作為提升粉末物理化學性能的重要手段，長期以來一直缺乏有效的精密手段。傳統的液相包覆或氣相包覆手段都無法實現均勻以及厚度的精密控製，限製了包覆技術的進一步發展。

原子層沉積技術（ALD）是一種自限製性的化學氣相沉積手段，通過將目標反應拆解為若幹個半反應，實現表麵塗層的原子層級厚度控製。利用該技術製備的塗層具有：共形，無針孔，均勻的特點，對於複雜的表麵界麵以及高縱深比樣品有較好的沉積效果。

粉末原子層沉積(PALD)係統則克服了傳統原子層沉積無法高效處理大批量高比表麵積樣品的缺點，發展出高通量的處理能力。衍生出包含：流化床，旋轉床在內的多種粉末 ALD 形式。

ALD 技術製備的薄膜更均勻(左：溶膠凝膠法；右：ALD)

這種精度較高的包覆技術已經被證明可用於多種組分以及納米結構的製備，配合刻蝕還可進行複雜結構的製備。包括：單原子/團簇催化劑，鋰電材料表麵包覆，藥物製劑流動性改善，金屬粉末表麵鈍化以及選擇性原子層沉積等。

PALD 技術已被驗證可製備無機以及有機的塗層

Part 02.Forge Nano 粉末原子層沉積選型推薦

平台建設利器：Prometheus 流化床原子層沉積係統

利用 Prometheus 流化床原子層沉積係統可開發探索複雜的高比表麵積粉末塗層，同時也能將批次處理能力提升至企業驗證需求的水平，可加快成果轉化速度。適合兼顧科學研究以及成果轉化的工藝開發需求，實現與企業小試要求的無縫銜接。

1.功能特點：采用流化床技術實現粉料分散，專為粉末 ALD 設計，可實現克級到公斤級粉末材料的界麵塗層生長。

2.適用領域：鋰電電極材料、負載型催化劑、藥物製劑和金屬/陶瓷粉末等

3.批次處理量：可更換腔室，選用5ml、150ml 以及 600ml 的不同批次粉料，實現從毫克到公斤級的粉料 ALD 處理。

4.前驅體通道：2-8（最多 4 路低蒸汽壓前驅體通道），鼓泡流化床前驅體管道設計，有效促進低蒸汽壓前驅體的輸送。

5.在線質譜監測：精準控製 ALD 前驅體利用率（可達 90% 利用率）

6.臭氧發生器：直接與粉末接觸的臭氧管道，在促進粉料分散的同時實現臭氧 dose

7.可行性驗證：對於鋰電和金屬粉材料，工業的可行性驗證需要單次百克甚至公斤級的粉料，這是傳統 ALD 設備無法實現的處理量

基礎研究：Pandora 多功能原子層沉積係統

Pandora 多功能原子層沉積係統使用操作簡單，兼容性強，適合在前期快速開展粉末包覆和平麵樣品薄膜沉積的研究。同時，該係統能真正做到兼顧多種不同樣品的需求，可處理各種複雜樣品並做到 ALD 包覆。

1.功能特點：采用旋轉床反應器，粉末在重力與離心力的共同作用下實現分散。通過精確的前驅體注入，實現高效的利用以及均勻的包覆效果。此外，外腔室可容納5L的非平麵類樣品進行 ALD 測試。

2.適用領域：粉末類樣品，平麵類樣品，三維物件（已通過 cGMP 認證）

3.腔室大小：200ml 粉末腔，5L 外腔

4.前驅體通道：3-6（基礎三路高蒸汽壓通道，3 路低蒸汽壓獨立通道）

5.在線質譜監測：精準控製 ALD 前驅體利用率（可達 90% 利用率）

Part 03.粉末原子層沉積技術的應用領域

催化劑

負載型催化劑材料存在比表麵積大、界麵不穩定以及選擇性差等問題，通過 ALD 的方法可以改善界麵，實現選擇性支撐層、防護層以及構築活性位點的多種功能。（詳見：⾼通量粉末原⼦層沉積（PALD）技術在催化劑中的應⽤）

Forge Nano 與美國國家再生能源實驗室和阿貢實驗室合作，開發新一代催化劑材料。通過ALD 技術，實現 Pd/Al2O3 催化劑更高的穩定性，在高溫條件下，可避免催化劑的燒結，從而使實現穩定的芳烴氫化反應[1]。

TiO2 的包覆促進催化劑的穩定

在另一項同樣來自美國國家可再生能源實驗室的研究中，使用高通量的 ALD 技術構築 Pt 催化劑塗層，可實現 Ni/Co 納米線材料的高效催化，並防止金屬元素浸出損耗[2]。

納米線的催化劑塗層促進高效催化

鋰電電極材料包覆

以鋰離子電池為代表的電池材料，在充放電時存在容量不可逆轉的下降，甚至引起安全事故。對電極材料的包覆處理是從源頭改善電池性能的重要手段。通過包覆常規的氧化物、以及鈦/鋁的有機雜化塗層，可以明顯提升電池的電化學性能，並提升其安全性。目前，Forge Nano 已經使用該技術在 6K Energy 的正極材料和Anvion 的負極材料中實現了量產的目標。

ALD 包覆後的高壓性能有明顯提升，同時其熱失控風險降低

此外，利用 ALD 的厚度可控，均勻性特點，可將部分多元化合物，電解質塗層用 ALD 的方式在電極材料表麵進行構築，可以有效降低塗層負載量，並進一步提升塗層性能。

粉末冶金

粉末冶金利用粉末材料鑄造型材，這對粉末材料的流動性和分散性有較高的要求。在粉末熔融的過程中，團聚顆粒以及天然氧化層中的雜質對於最終型材的質量會有較大影響。通過 ALD 技術進行粉末包覆後，材料的抗侵蝕，耐潮性，流動性有明顯改善，同時塗層成分的變化還可以賦予粉末功能，如改變其反射率，親水性等，擴大應用場景[3]。

製藥

藥物粉末尤其是 API，通常為無定形或水合物狀態，極易發生團聚。通過 ALD 包覆，可有效改善其分散係和流動性，這對於吸入式藥物製劑的研發有重要的促進作用。藥物親水性的調控對其在人體體液中的釋放有積極意義，而 ALD 隻需幾個周期的塗層就可實現不同親水性或親油性的樣品包覆。

此外，對於部分熱敏感的藥物，通過 ALD 包覆可以提升其熱穩定性，防止其發生熱解。一項合作研究表明，將經過 ALD 包覆處理的 HPV 疫苗用於單次給藥實驗，實現了小鼠體內更為持久的抗原反應[4]。

ALD 包覆後的疫苗擁有更高的熱穩定性和更持久的藥效

參考文獻

【1】 McNeary W W, Tacey S A, Lahti G D, et al. Atomic Layer Deposition with TiO2 for Enhanced Reactivity and Stability of Aromatic Hydrogenation Catalysts[J]. ACS Catalysis, 2021, 11: 8538-8549.

【2】Alia S M, Neyerlin K C, Hurst K, et al. Advances in Ptni Nanowire Extended Thin Film Electrocatalysts[C]//ECS Meeting Abstracts. IOP Publishing, 2018 (44): 1505.

【3】Miller J, Gillespie C, Chesser J, et al. Surface modification of organic powders for enhanced rheology via atomic layer deposition[J]. Advanced Powder Technology, 2020, 31(6): 2521-2529.

【4】Garcea R L, Meinerz N M, Dong M, et al. Single-administration, thermostable human papillomavirus vaccines prepared with atomic layer deposition technology[J]. npj Vaccines, 2020, 5(1): 1-8.