Atomikerroskasvatuksen soveltaminen kemiantekniikassa

Tässä kirjallisuustyössä tutkittiin atomikerroskasvatuksen (ALD) soveltamista kemiantekniikassa. Työn alussa kerrottiin atomikerroskasvatuksesta, sen toimintaperiaatteista ja prosessitekniikasta. Tämän jälkeen tutkittiin viittä eri kemiantekniikan sovellusta, jotka olivat polymeerien pinnoittaminen, heterogeenisten katalyyttien syntetisointi, membraanien modifiointi, korroosionesto ja kaasunilmaisimet. ALD on ohutkalvotekniikka, jolla voidaan valmistaa nanometrin tai jopa Ångströmin (1 Å = 0.1 nm) tarkkuudella epäorgaanisia materiaalikerroksia, jotka yleensä ovat metallioksideja, kuten alumiinioksidi. ALD perustuu kaasu-kiintoainereaktioihin, joissa kaasumaiset kemialliset prekursorit reagoivat vuorotellen kasvualustan kanssa. Tyypilliset prekursorit ovat metalliligandi ja vesi, joka on yleisin hapen lähde ALD-reaktioissa. ALD−reaktiot suoritetaan yleensä matalassa paineessa (100−200 Pa) ja korkeassa lämpötilassa (200–400 °C) suljetussa reaktorikammiossa. ALD-prosesseissa voidaan hyödyntää myös plasmaa alentamaan reaktiolämpötiloja. Plasman avulla prekursoreista luodaan hyvin reaktiivisia radikaaleja, jotka voivat reagoida jopa huoneenlämmössä. Lämpöherkkiä polymeerejä voidaan pinnoittaa ohutkalvoilla, joilla voidaan lisätä esimerkiksi pakkausmateriaalien suojaa happea ja vesihöyryä vastaan. ALD:llä voidaan syntetisoida tarkasti nanomittakaavan heterogeenisiä katalyyttejä, joilla on korkea dispersio tukimateriaalin pinnalla. ALD:n avulla voidaan säästää katalyyttimateriaalia menettämättä katalyytin aktiivisuutta, mikä on tärkeää monien katalyyttisovellusten taloudellisuuden kannalta, esimerkiksi polttokennot. ALD soveltuu hyvin membraanien modifiointiin, koska kaasumaiset prekursorit leviävät tasaisesti membraanin huokosiin. Membraanien pinnoittamisella pyritään vaikuttamaan, selektiivisyyteen, hydrofiilisyyteen, liuotinkestävyyteen, huokoskokoon ja sen jakaumaan. Lisäksi membraaneja voidaan pinnoittaa katalyyttisillä ohutkalvoilla, mikä on tärkeää nanoreaktoreiden kehityksen kannalta. ALD:llä voidaan pinnoittaa esimerkiksi terästä, ja vähentää täten teräksen korroosiota. Puolijohtavia metallioksideja voidaan käyttää kaasunilmaisimina, joiden valmistuksessa ALD:n tarkkuudesta on suurta hyötyä.

The purpose of this literature work was to study how atomic layer deposition (ALD) can be applied in chemical engineering. First ALD, it´s working principle and process technology were introduced. After that five applications, which were deposition of polymers, synthesizing of heterogeneous catalysts, membrane modification, corrosion resistance and gas sensors, were studied. ALD is a thin film technique based on gas-solid reactions, in which chemical precursors react in turns with a substrate. With ALD inorganic material layers, typically metal oxides, can be created with accuracy of nanometers or even Ångström (1 Å = 0.1 nm). Typical precursors are metal ligand and water, which is the most common source of oxygen in ALD-processes. ALD-reactions are usually run in closed reactor chamber in very low pressure (100−200 Pa) and high temperature (200–400 °C). Plasma can be used to decrease operation temperatures. With plasma highly reactive radicals are generated from the precursors, and those radicals can react even at room temperature. Due to low operating temperatures, heat sensitive polymers can be deposited with thin films, which can enhance protection against oxygen and water vapor in packaging materials. Nano scale heterogeneous catalysts with high dispersion can be synthesized with ALD. Using ALD-technique very expensive catalytic materials can be spared without losing the activity of the catalyst. Economizing catalyst materials is very important in many applications, for example fuel cells. ALD is adaptable in membrane modification because gas precursors penetrate well to the pores of the membrane and spread evenly. By depositing membranes you can affect to the pore size, selectivity, hydrophilicity and chemical resistance. Also catalytic layers can be deposited to the membrane surface, which is important in nanoreactor research. Corrosion resistance of steel can be enhanced with thin material layers. Semi conductive metal oxides can be used as gas sensors, and the accuracy of ALD-technique is beneficial in manufacturing those gas sensors.