ALD技术在药物API粉末中有何作用

ALD技术在药物API粉末中有何作用

粉末改性的目的和效果

粉末改性包覆的基本机理依靠改性剂与粉末间形成的物理与化学结合，包括：

范德华力

库伦作用力（静电吸附）

化学键

常见的粉末包覆改性的方式

ALD 的基本原理

01.

ALD 技术的优势

与其他气相沉积技术对比，ALD 拥有极高的薄膜控制精度，较好的绕镀性以及薄膜的均一性和共形性，尤其对于高纵横比器件以及复杂的孔道结构，ALD 表现出了极大的优势。正因为如此，这一技术从上世纪 70 年代由芬兰科学家发明后（另一说法认为前苏联在 60 年代就已经使用该技术），目前已经成为半导体封装加工必不可少的工序。

02.

粉末 PALD 的实现方法

在实际应用中，ALD 在粉末的应用存在许多挑战，包括薄膜的共形性、组成、厚度、形貌控制以及减少粉末的团聚。其中颗粒间的范德华力和颗粒表面水分引起的液桥连接均会造成严重的团聚，影响粉末分散性，对包覆造成不良影响。因此粉末原子层沉积也有其专有名称：Particle ALD，简称 PALD。其核心便是：如何使粉末材料在 ALD 前驱体中保持良好的分散并完成高效的包覆。

为此，学界给出了多种方案，由于粉末原子层沉积的基本原理与平面 ALD 大致相同，因此其主要差别在于粉末反应腔的设计，大致可分为：固定床，流化床，旋转式，振动式，空间隔离式等。

固定床 PALD

固定床粉末包覆方案

固定床是最简单的实现 ALD 粉末包覆的方案，将粉末材料固定在反应器中形成粉末层，通过真空泵的配合使前驱体穿过粉末，实现饱和吸附。包括德国柏林大学以及美国阿贡实验室均采用这种方法实现了粉末 ALD 包覆，但该方法的缺点也很明显，由于粉末床与前驱体无法充分接触，实现饱和吸附需要较长的时间，故而只能使用很少的粉末进行反应，无法扩大成商业化的方案。

流化床 PALD

流化床 PALD 系统（Forge Nano）

根据粉体的 Geldart 分类，一般可将粉末分成 4 类，其直接影响流化态的形成。粒径质量不同的颗粒的流化态有较大差别，因此对于不同类型的颗粒，需要探索其适用的流化工艺。目前实验室的流化床 PALD 可实现从毫克到公斤级的粉末包覆，在引入半连续的空间 ALD 后，可以实现连续作业，提高产量。

Geldart 粉末分类

旋转式 PALD

等离子增强耦合 PALD 系统

旋转式 PALD 开发的初衷是为了实现更高的前驱体利用率，针对纳米级的超细粉末，旋转式方案拥有更好的兼容性。颗粒在重力、气体粘滞力和离心力作用下处于动态平衡，前驱体与颗粒表面充分接触，提高利用率。同时，旋转式方案不需要惰性气体吹扫，可与等离子增强耦合。但目前该方案只能扩大单批次规模，无法实现连续式作业。

振动式 PALD

空间 PALD

由于传统的 ALD 均为前驱体交替式的与粉末材料接触，这一过程效率较低。因此在实际工业生产中可以采用粉末材料不断移动的空间式 PALD技术，从而实现连续式作业，大大提高包覆效率，减少前驱体的浪费。

空间式 PALD（Forge Nano）

当然，在研究与实际生产中，几种 PALD 方案可以相互借鉴互补，如流化床技术可以和振动以及旋转结合，实现更好的包覆效果。PALD 技术的日趋成熟也让材料研究和工业生产获得全新的可能。

03.

催化的应用

催化剂是化学品制造中必不可少的材料，而近年来，随着纳米催化剂研究越发深入，ALD 为催化剂研究提供了在表面创造全新活性位点的方式，创造出传统合成方法无法实现的高性能催化剂。PALD 技术在粉末催化剂中的基础应用包括：

负载活性催化剂：团簇，单原子

ALD支撑涂层，用于提高催化剂的选择性和寿命

ALD保护涂层，防止烧结，提高选择性

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