陳佑明 、游勝閔、張名惠 / 工研院材化所
陶瓷粉體材料被廣泛應用到各種工業領域，而粉體材料的表面改質或鍍膜可增強粉體的各種性能。傳統上透過濕式沉積為主，但由於粉體的高比表面積、顆粒團聚與空間上的擴散限制等問題，造成濕式製程難以做到精準膜厚控制。因此，氣相鍍膜技術逐漸受到重視，其中原子層沉積技術(ALD)具有自我限制反應，在複雜的粉體表面仍可以達到埃(Å)等級的膜厚控制，提供粉體材料開發上更多可能性。本文分析了精密鍍膜技術之優劣，提出ALD在粉體鍍膜上的優勢並整理各種應用案例，幫助讀者了解ALD粉體鍍膜的原理、方法與各種先進應用。
【內文精選】
ALD鍍膜在陶瓷粉體上的應用
陶瓷粉體粒子存在於諸多應用中，如能量轉換、儲存、環境保護、催化、生物醫學、感測器和元件等領域，因此受到極大的關注和多方學界與業界投入研究。許多新興應用需對微粒子進行功能化，以發揮它們的全部潛力，這也使表面工程變得非常具有挑戰性，因為奈米顆粒(NPs)容易堆疊在一起而凝聚成團聚體。
陶瓷的緻密化可利用燒結助劑(Sintering Aid)的添加來改變燒結機制(例如：固相燒結轉為液相燒結)或增加遷移離子的擴散係數。在陶瓷材料中分散燒結助劑對添加劑的表現十分重要，通常是經由球磨、噴霧乾燥和膠狀製程來處理。然而，這些方法可能導致局部區域存在過量或不足的燒結助劑，從而降低最終微結構的均勻性並對材料性質產生不利影響。Rebecca J. O'Toole等人於2018年首先探討微粒子原子層沉積(Particle ALD)作為增強陶瓷燒結和微觀結構均勻性的技術路徑。
BaTiO3 (BT)是研究最活躍的鐵電材料，也是過去幾十年中多層陶瓷電容器(MLCC)介電材料的支柱。在BT介電陶瓷中形成「核殼」結構是改善MLCC性能的有效方法。Hua Hao等人通過沉澱和溶膠–凝膠法製備了一個核–雙殼結構。通過沉澱法製備的Nb氧化物包覆的BT粉末(BT/殼-I)(nc/ns = 1:1)，其透射電子顯微鏡(TEM)圖像顯示如圖七(a-b)，可以在粉末中觀察到BT的領域結構，如圖七(a)所示，周圍有一層非晶塗層(圖七(b))，這是由於低燒結溫度(500˚C)導致的。0.2BZT-0.8BT包覆的BT/殼-I粉末也通過透射電子顯微鏡進行了分析，如圖七(c-d)所示，與BT/殼-I相比，在核心周圍有一個明顯更厚的塗層。
圖七、(a-b)通過沉澱法製備的Nb氧化物包覆的BT粉末(BT/殼-I)之透射電子顯微鏡圖像(nc/ns =1:1)；
(c-d)通過溶膠凝膠法製備的0.2BZT-0.8BT包覆的BT/殼-I粉末的圖像(nc/ns = 1:1)
鋰離子電池作為能量儲存裝置，在商業電子產品和電動車輛中被廣泛使用，但潛在的安全風險和有限的能量密度，是傳統使用有機液體電解質的鋰離子電池面臨的兩個瓶頸問題。使用固態電解質和鋰金屬陽極的固態鋰金屬電池可望解決上述問題。其中，石榴石型氧化物電解質Li7La3Zr2O12 (LLZO)因其高室溫離子導電率、寬電化學電位窗口以及對鋰金屬的高化學穩定性而受到關注，同時許多研究朝向降低燒結溫度為目標，期望實現與電極材料共燒結，以最大幅度降低生產成本。
近年來因為電動車的興起，對於散熱之要求提高，因此對於高導熱係數陶瓷材料的需求量亦隨之攀高。氮化鋁(Aluminum Nitride; AlN)陶瓷導熱係數是Al2O3的七倍之多，並且有良好的結構強度與絕緣特性，被廣泛使用到功率模組基板、LED散熱基板、晶片電阻基板等。
為解決AlN粉末之水解問題， 可藉由表面改質法進行改善，其中包含透過熱處理、酸性改質、界面活性劑改質、偶合劑改質、溶膠凝膠法、化學氣相沉積法於粉體表面產生功能薄膜或不連續的結構等方式處理。表二歸納各種曾被研究過改善AlN抗水解的製程與Coating材料，主要是在表面鍍覆非有機之磷酸鹽類、矽酸鹽類薄膜為主。
工研院材料與化工研究所建立流體化床ALD粉體鍍膜技術，將氮化鋁常用的燒結助劑氧化釔(Y2O3)均勻鍍覆在AlN粉體表面，如圖九。一般來說無鍍膜的AlN粉體浸泡在水中兩小時即水解，然經過Y2O3鍍膜的AlN粉體浸泡在水中24小時仍無觀察到水解現象，證明ALD Y2O3薄膜有顯著抗水解效果，並且ALD Y2O3鍍膜的AlN粉體可直接配漿進行刮刀成形與燒結，不須再混和其他燒結助劑粉體，燒結後的AlN基板抗折強度達350 MPa以上，同時導熱係數達到170 W/m·K以上，均符合目前商用基板規格 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖九、氮化鋁表面的ALD氧化釔薄膜
★本文節錄自《工業材料雜誌》442期，更多資料請見下方附檔。