本書是面向研究生和從事材料研發(fā)等相關行業(yè)的科研人員系統(tǒng)介紹原子層沉積技術原理及其應用的一本專業(yè)書籍，共分為十七章。包括原子層沉積的發(fā)展歷史、原理、設備、前驅體、沉積材料與生長機理以及理論計算與模擬等基礎內容，又著重論述等離子體增強原子層沉積和分子層沉積等特色技術，涉及了原子層沉積在微電子、納米技術、光學、能源、催化、含能材料、生物醫(yī)學、封裝、防腐、分離膜等領域的應用，還特別介紹了正在快速發(fā)展中的原子層刻蝕技術。本書內容豐富新穎，在注重原子層沉積基本原理和生長機制闡述的同時，又突出了原子層沉積（刻蝕）材料的先進性和應用的前沿性，反映了原子層沉積（刻蝕）技術中的一些最新進展和成果，是先進技術原理與實際應用的有機結合。
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目錄
第二版前言
第1章 原子層沉積技術概述
1.1 原子層沉積技術誕生與發(fā)展 1
1.2 原子層沉積技術現(xiàn)狀與應用 11
1.3 原子層沉積技術挑戰(zhàn)與展望 14
參考文獻 15
第2章 原子層沉積原理
2.1 原子層沉積基本原理 23
2.1.1 原子層沉積系統(tǒng)的基本結構 23
2.1.2 原子層沉積中的表面化學特性 24
2.1.3 影響原子層沉積速度的因素 30
2.2 原子層沉積的特點 38
2.2.1 原子層沉積的特點、優(yōu)勢與局限 38
2.2.2 原子層沉積的一致性與重復性 40
2.3 原子層沉積分類 52
2.3.1 原子層沉積反應室 52
2.3.2 空間原子層沉積 54
2.3.3 電化學原子層沉積 55
2.4 原子層沉積中的原位表征與監(jiān)控 56
參考文獻 63
第3章 原子層沉積設備
3.1 原子層沉積設備概述 68
3.2 原子層沉積反應器的主要類型 70
3.2.1 熱壁反應器 71
3.2.2 冷壁反應器 74
3.3 原子層沉積工業(yè)化設備的進展 77
3.3.1 先進半導體芯片加工設備 77
3.3.2 光伏高效電池加工設備 81
3.4 總結與展望 84
參考文獻 85
第4章 原子層沉積前驅體 87
4.1 原子層沉積前驅體要求 87
4.2 原子層沉積前驅體種類 88
4.3 原子層沉積前驅體特點及其應用 90
4.3.1 金屬類前驅體 90
4.3.2 非金屬類前驅體 102
4.4 原子層沉積前驅體設計與理論計算 104
4.4.1 金屬與配體的配鍵強度 104
4.4.2 前驅體熱穩(wěn)定性 105
4.4.3 前驅體水解活性 105
4.4.4 前驅體設計篩選流程 107
4.4.5 基于ALD反應機理的前驅體設計 108
參考文獻 111
第5章 原子層沉積材料與生長機理 119
5.1 引言 119
5.2 原子層沉積氧化物 120
5.2.1 H2O作為氧源 121
5.2.2 活性氧作為氧源 122
5.2.3 H2O2作為氧源 124
5.2.4 醇鹽作為氧源 124
5.3 原子層沉積氮化物 125
5.3.1 熱ALD制備氮化物 125
5.3.2 PEALD制備氮化物 127
5.4 原子層沉積半導體 129
5.4.1 元素半導體 129
5.4.2 III-V族半導體 130
5.4.3 Ⅱ-Ⅵ族半導體 132
5.5 原子層沉積金屬 133
5.5.1 貴金屬 133
5.5.2 過渡金屬 136
5.5.3 活潑金屬 140
5.5.4 原子層沉積金屬面臨的挑戰(zhàn) 141
5.6 原子層沉積其他材料 142
5.6.1 二維材料 142
5.6.2 原子層沉積金屬氟化物 146
參考文獻 149
第6章 原子層沉積理論計算與模擬 157
6.1 理論計算與模擬方法簡介 157
6.1.1 量子力學方法 157
6.1.2 分子力學方法 161
6.1.3 分子動力學模擬 161
6.1.4 蒙特卡羅模擬 162
6.2 原子層沉積反應機理的理論計算 163
6.2.1 SiO2ALD的反應機理 163
6.2.2 Al2O3ALD的反應機理 170
6.2.3 HfO2ALD的反應機理 172
6.3 原子層沉積的生長過程模擬 174
6.3.1 動力學蒙特卡羅方法 174
6.3.2 蒙特卡羅與分子動力學組合方法 175
6.3.3 機器學習勢分子動力學方法 177
6.4 挑戰(zhàn)與展望 178
參考文獻 179
第7章 等離子體增強原子層沉積技術及其應用 185
7.1 等離子體增強原子層沉積原理 186
7.1.1 等離子體增強原子層沉積基本原理 186
7.1.2 等離子體的性質 187
7.2 等離子體增強原子層沉積的設備 189
7.2.1 自由基增強原子層沉積 190
7.2.2 直接等離子體原子層沉積 190
7.2.3 遠程等離子體原子層沉積 191
7.2.4 空心陰極等離子體原子層沉積 191
7.3 等離子體增強原子層沉積的特點 192
7.3.1 降低沉積溫度 192
7.3.2 拓寬前驅體、生長薄膜材料和襯底的種類 193
7.3.3 提高沉積速率 193
7.3.4 改進薄膜性能 195
7.3.5 多功能化 196
7.3.6 局限 196
7.4 等離子體增強原子層沉積生長的材料與工藝 198
7.4.1 金屬 199
7.4.2 氧化物 199
7.4.3 SiO2與 SiNx 200
7.4.4 氮化物 200
7.4.5 其他材料 201
7.5 等離子體增強原子層沉積的應用 201
7.5.1 銅互連的擴散阻擋層 201
7.5.2 高介電常數(shù)材料 203
7.5.3 等離子體質位處理 205
7.5.4 低溫（室溫）沉積 206
7.5.5 其他應用 208
7.6 展望與挑戰(zhàn) 209
參考文獻 209
第8章 分子層沉積及其應用 217
8.1 分子層沉積概述 217
8.2 分子層沉積材料及其表面化學 220
8.2.1 有機聚合物 220
8.2.2 有機－無機雜化物 225
8.2.3 金屬有機骨架材料 240
8.2.4 有機-無機雜化介孔薄膜 244
8.3 分子層沉積應用 247
8.3.1 有機聚合物 248
8.3.2 有機-無機雜化材料 252
8.3.3 金屬有機骨架材料 262
8.3.4 有機-無機雜化介孔薄膜 265
8.4 挑戰(zhàn)與展望 269
參考文獻 269
第9章 原子層沉積在微電子領域的應用 276
9.1 引言 276
9.2 邏輯器件 277
9.2.1 Si基MOSFET器件 277
9.2.2 Ge基MOSFET器件 279
9.2.3 III-V族MOSFET器件 282
9.2.4 碳納米管和二維半導體FET器件 285
9.3 存儲器件與類神經突觸器件 290
9.3.1 動態(tài)隨機存儲器 291
9.3.2 電荷俘獲型存儲器 294
9.3.3 相變存儲器 300
9.3.4 阻變存儲器 303
9.3.5 鐵電隨機存儲器 306
9.3.6 磁記錄存儲材料 309
9.3.7 類神經突觸的憶阻器 313
9.4 其他應用 321
9.4.1 金屬互連、阻擋層和籽晶層 321
9.4.2 高密度MIM/MOM電容 322
9.5 小結 324
參考文獻 324
10.1 原子層沉積在納米圖形制備中的應用 331
10.1.1 選區(qū)原子層沉積 331
10.1.2 自對準原子層沉積 341
10.1.3 間隔層限制的雙重圖形技術 342
10.1.4 ALD輔助的嵌段共聚物光刻 344
10.2 原子層沉積在納米結構制備中的應用 346
10.2.1 模板輔助的納米結構的制備 346
10.2.2 催化輔助的納米結構的制備 348
10.3 原子層沉積在表面、界面工程中的應用 349
10.3.1 表面工程 350
10.3.2 界面工程 353
10.4 原子層沉積在納米器件中的應用 358
10.4.1 微納機電系統(tǒng) 358
10.4.2 納流體器件 360
10.4.3 單分子傳感器件 362
10.4.4 磁隧道結器件 362
10.4.5 氣敏傳感器 363
參考文獻 366
第11章 原子層沉積在光學領域的應用 373
11.1 引言 373
11.2 傳統(tǒng)光學器件 373
11.3 新型光學器件 377
11.3.1 光子晶體 377
11.3.2 表面等離激元 380
11.3.3 光學微腔 385
11.3.4 其他光學器件 387
11.4 透明導電電極 389
11.4.1 原子層沉積制備透明導電氧化物薄膜 389
11.4.2 ALD穩(wěn)定金屬基透明電極 391
11.4.3 應用舉例 392
11.5 傳感與探測器件 394
11.5.1 光電探測器 394
11.5.2 光纖傳感 400
11.6 發(fā)光顯示 406
11.6.1 發(fā)光材料制備 406
11.6.2 表面修飾 408
11.7 機遇與挑戰(zhàn) 411
參考文獻 412
第12章 原子層沉積技術在能源領域的應用 420
12.1 引言 420
12.2 原子層沉積技術在鋰離子電池領域的應用 420
12.2.1 鋰離子電池的簡介 420
12.2.2 鋰離子電池材料的ALD合成 422
12.2.3 三維全國態(tài)鋰電池的ALD制備 427
12.2.4 電極材料的表面修飾 429
12.2.5 ALD抑制鋰金屬枝晶 434
12.2.6 小結 440
12.3 原子層沉積技術在大陽能電池領域的應用 441
12.3.1 納米結構光電極的ALD制備 441
12.3.2 基于ALD的電極表面鈍化 444
12.3.3 基于ALD的電極表面鈍化 446
12.3.4 基于ALD的能帶調控 448
12.3.5 ALD在鈣鈦礦太陽能電池中的應用 449
12.3.6 小結 451
12.4 其他應用 452
12.4.1 ALD技術在超級電容器領域的應用 452
12.4.2 ALD技術在燃料電池領域的應用 456
12.4.3 ALD技術在光電化學分解水領域的應用 460
12.4.4 ALD技術在大陽能光熱轉化領域的應用 465
12.5 展望與挑戰(zhàn) 467
參考文獻 467
13.2.1 靜態(tài)顆粒上的原子層沉積 479
13.2.2 流化床原子層沉積 480
13.2.3 旋轉式原子層沉積 484
13.2.4 高深寬比結構的原子層沉積 486
13.3 負載型金屬催化劑的ALD 合成及其應用 489
13.3.1 負載型金屬催化劑的ALD 合成 489
13.3.2 負載型金屬催化劑的穩(wěn)定化 494
13.3.3 應用舉例 495
13.4 氧化物催化劑的ALD合成及其應用 497
13.4.1 氧化物催化劑的ALD合成 497
13.4.2 應用舉例 500
13.5 單原子催化劑的ALD合成及其應用 503
13.5.1 單原子催化劑及其ALD合成、應用的概述 504
13.5.2 單原子催化劑的ALD制備、表征與應用舉例 507
13.5.3 基于ALD的單原子催化劑的展望與挑戰(zhàn) 514
參考文獻 515
第14章 原子層沉積在含能材料領域的應用 520
14.1 引言 520
14.2 原子層沉積技術在可控合成亞穩(wěn)態(tài)分子間復合物方面的應用 521
14.2.1 雙組分亞穩(wěn)態(tài)分子間復合物 521
14.2.2 多組分亞穩(wěn)態(tài)分子間復合物 527
14.3 原子層沉積技術在提升含能材料安全性方面的應用 529
14.3.1 高能固體燃料 529
14.3.2 高能炸藥 533
14.4 原子層沉積技術在改善含能材料穩(wěn)定性方面的應用 535
14.4.1 高能固體燃料 535
14.4.2 高能氧化劑 540
14.5 原子層沉積技術在精準構建燃燒催化劑方面的應用 541
14.5.1 高氯酸銨復合型燃燒催化劑 542
14.5.2 負載型金屬氧化物燃燒催化劑 543
參考文獻 548
第15章 原子層沉積在生物醫(yī)學領域的應用 551
15.1 引言 551
15.2 基于生物模板和仿生的原子層沉積 551
15.2.1 蛋白質基納米結構 552
15.2.2 肽聚集體 553
15.2.3 天然纖維 554
15.2.4 圖案型生物材料 556
15.2.5 生物礦化結構 559
15.3 基于聚合物的原子層沉積 559
15.3.1 聚合物基體上原子層沉積反應機理 560
15.3.2 原子層沉積在聚合物基體上的應用 564
15.4 生物相容性涂層原子層沉積及其應用 566
15.4.1 ALD生長生物相容性涂層 566
15.4.2 植入支架方面的應用 568
15.4.3 牙科材料方面的應用 571
15.5 原子層沉積薄膜在生物醫(yī)學領域的其他應用 573
15.5.1 生物傳感器 573
15.5.2 生物檢測 575
15.5.3 生物電子器件 575
參考文獻 576
第16章 原子層沉積在其他領域的應用 581
16.1 引言 581
16.2 原子層沉積在封裝領域的應用 581
16.2.1 有機發(fā)光二極管的封裝 583
16.2.2 有機鈣鈦礦太陽能電池的封裝 590
16.3 原子層沉積在金屬防腐保護領域的應用 591
16.4 原子層沉積在分離膜領域的應用 596
16.5 小結 600
參考文獻 600
17.2 原子層刻蝕原理 606
17.2.1 基本原理 606
17.2.2 等離子體原子層刻蝕原理 608
17.2.3 熱原子層刻蝕原理 612
17.2.4 原子層刻蝕的特點 619
17.3 原子層刻蝕材料 621
17.3.1 等離子體原子層刻蝕材料 621
17.3.2 熱原子層刻蝕材料 626
17.4 原子層刻蝕的應用 629
17.5 展望與挑戰(zhàn) 631
參考文獻 632
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