近日，中国足协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中国足协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，通讯作者为中国足协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。中国足协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。

原文链接：http://aiche.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aic.17889