原子层沉积（Atomic layer deposition，简称ALD）是一种基于气态前驱体在沉积表面发生化学吸附的纳米薄膜沉积技术，通过自限制性的前驱体交替饱和反应获得厚度、组分、形貌及结构在纳米尺度上高度可控的薄膜。该方法将物质以单原子膜的形式一层一层镀在基底表面的方法。与普通的化学沉积有相似之处，但在原子层沉积过程中，新一层原子膜的化学反应是直接与之前一层相关联的，这种方式使每次反应只沉积一层原子，对薄膜厚度可以精确控制在单个纳米级别。该方法对基材不设限，尤其适用于具有高深宽比或复杂三维结构的基材。采用ALD制备的薄膜具有高致密性（无针孔）、高保形性及大面积均匀性等优异性能，这对薄膜的使用具有重要的实际意义。

ALD最大的特点是将传统的化学气相反应有效分解为两个半反应。当目标成分为AB时，先将前驱体A引入空腔。，它会与基体的表面基团发生反应，均匀地吸附在基体表面。由于A和B两种物质相互作用，当A完全吸附在表面后，多余的A需要用惰性气体吹走。然后，引入另一种前驱体B与表面的A层反应，同时需要惰性气体吹走B。这些过程构成了一个生长周期来形成均匀的薄膜，并且在每个周期中生长的薄膜厚度是一致的，通过控制生长周期的数量可以实现对薄膜厚度的精确控制。因此，原子层沉积是一种精密可控的薄膜生长技术。

原子层沉积的表面反应具有自限制性，这种自限制性特征是原子层沉积技术的基础。根据沉积前驱体和基体材料的不同，原子层沉积的自限制特征分为两种不同的机制，即化学吸附自限制（CS）和顺次反应自限制（RS）过程。

CS-ALD过程

RS-ALD过程

原子层沉积技术最初是由芬兰科学家提出，并用于多晶荧光材料ZnS、Mn以及非晶Al₂O₃绝缘膜的研制，这些材料用于平板显示器。20世纪90代中期，硅半导体的发展使得原子沉积的优势真正得以体现，掀起了人们对 ALD研究的热潮。经过将近30年的发展，ALD技术在催化、半导体、、电池、光学、生物医学和航空航天领域等众多领域都发挥着十分重要的作用，得到了成功地应用，成为功能薄膜制备中的一项关键技术。

（1）半导体：根据摩尔定律，要求半导体器件尺寸不断减小，而ALD技术以其优异的保型性和均匀性、高的台阶覆盖率和速率可控性，在半导体产业中得到广泛应用，包括高k电介质、电容器、存储器、二极管和晶体管等。高k电介质是一种可取代SiO₂作为栅介质的材料，它具备良好的绝缘属性而且可以大幅减少漏电量。ALD是一种较好的可以制备高k电介质材料的技术，目前主要包括 TiO₂、HfO₂、Al₂O₃三种材料。

（2）电容器：现今不断增长的能源需求下，促进了能源存储设备的需求，其主要包括可充电电池和通常称为超级电容器的电化学电容器。而且满大街都是智能手机等便捷电子设备的现在，使他们需求空前。ALD在制备超级电容器方面具有良好的保持性和比较高的充放电循环稳定性。

（3）存储器：当计算机处理器的技术节点进入22纳米级时，传统的闪存技术受到了限制，这时电阻随机存取存储器（RRAM）脱颖而出。这种存储器单元结构简单、功耗和制造成本低、可扩展性优良和兼容性优异。实验表明，通过ALD技术制备的具有中间HfOx/AlOy双层电阻转换膜的电阻转换存储器具有十分优良的电阻转换特性，以及多级数据存储能力和可靠性。

（4）二极管：使用ALD方法制备的二极管表面材料主要有ZnO、ZrO₂和Al₂O₃等。通过ALD法制备的ZnO薄膜，实验人员测试了其在光电二极管和二极管上的应用性能后发现是可以成功应用的。随后还发现等离子体增强原子层沉积（PE-ALD）是获得低掺杂浓度ZnO的关键。国内亦有科研人员采用低温远程PE-ALD方法制备了 ZrO₂/Zr 纳米薄膜，实现了柔性有机发光二极管的有效封装。此外，ALD还应用在晶体管以及其他半导体器件上，如光电结构等。

由此可见，ALD这种技术已经比较成熟。但我们仍然不会止步于此，在不同条件下，快速选择最佳前驱体、获得高速率、长寿命、高性能的ALD涂层，以及实现ALD技术与人工智能相结合将是ALD技术发展的新目标。

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