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AIChE封面报道华理原子层沉积ALD反应器多尺度模拟研究

华东理工大学

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2021-07-17 15:15:20

近日,华理化工学院膜科学与工程许振良教授团队,与美国约翰霍普金斯大学、普林斯顿大学等单位合作,开发了一套原子层沉积(ALD)反应器多尺度模型,可用于预测ALD反应器尺度高真空流体流动、传热、传质过程和衬底纳米孔道内薄膜沉积过程。该研究工作以“Numerical simulation of atomic layer deposition for thin deposit formation in a mesoporous substrate”为题(DOI:10.1002/aic.17305),以封面形式发表于AIChE Journal,被期刊评为“Top Tier”等级,同时将作为2021年8月Editor’s Choice论文在期刊主页宣传一个月。

美国约翰霍普金斯大学Michael Tsapatsis教授和威斯康辛大学的Xiaoli Ma教授前期开发了“配体诱导选择性渗透法(Ligand-induced permselectivation, LIPS)”,制备了高性能丙烯-丙烷ZIF气体分离膜(Science, 2018, 361(6406): 1008-1011)。然而,针对LIPS法中ALD工艺,如何进行优化来降低纳米介孔内ZnO沉积深度的同时,保证衬底横截面上沉积的均匀性,是ZIF气体分离膜制备过程能否成功放大的关键。

针对ZIF气体分离膜制备过程优化和放大问题,华理化工学院青年教师庄黎伟博士在美国约翰霍普金斯大学留学期间,联合Peter Corkery博士、Dennis T. Lee博士,共同建立了Veeco Savannah S200型号ALD反应器模型和γ-氧化铝介孔内扩散-反应-薄膜沉积模型,开展了ALD反应器和衬底的传递-反应耦合模拟研究。该多尺度模型可以精确预测ALD阀门在15毫秒内的前驱体脉冲量,供气系统、腔体内前驱体/载气的流体流动、传热和传质,以及衬底纳米孔道内薄膜沉积深度和分布。同时,该数值模拟研究证明了膜制备过程中反应器传递过程与衬底扩散反应过程的弱耦合作用,提出了评判耦合强弱分界线的临界沉积通量。相关研究为丙烯-丙烷ZIF气体分离膜、基于ALD技术的各类分离膜制备过程的优化和放大问题奠定了理论和技术基础;同时,相关模型和模拟方法,对芯片、光伏、燃料电池、催化剂等基于ALD技术的制备过程有普遍化应用价值,可直接用于各类商业化ALD反应器的优化和新型ALD反应器的开发。

上述研究工作第一和通讯作者为庄黎伟博士,共同第一作者为约翰霍普金斯大学Peter Corkery博士和Dennis T. Lee博士,共同通讯作者为美国工程院院士Michael Tsapatsis教授。计算模拟研究得到了美国工程院院士Yannis Kevrekidis教授及其团队Seungjoon Lee博士(约翰霍普金斯大学)和Mahdi Kooshkbaghi博士(普林斯顿大学)的协助。华理化工学院许振良教授在膜制备与结构控制等方面、戴干策教授在流体力学与传递过程等方面,给予了大力指导与帮助。研究工作得到了美国能源部(DE-SC0021212)、中国国家自然科学基金委(面上项目22078091和青年项目21706066)和中国留学基金委(201906745003)的资助。庄黎伟长期从事过程装备的反应-传递模型与模拟研究:在膜分离过程与膜组件方面的研究发表在AIChE Journal(64(7): 2655-2669)和Journal of Membrane Science(495: 372-383;526: 73-93)等期刊,在反应器方面的研究覆盖搅拌器、射流环流器、气升式环流器、喷淋塔等各类反应器,涉及领域包括化工、环境、能源、医药、集成电路等。

原文链接:https://aiche.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aic.17305


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