化学气相沉积（CVD）工艺及它的未来

　　麻省理工学院化学工程教授Karen Gleason说，从某种意义上说，你可以将化学气相沉积技术或CVD一直追溯到史前： 她说："当穴居人点燃一盏灯，烟尘沉积在山洞的墙壁上时，"那是一种初级形式的CVD。

　　在被称为启动化学气相沉积（iCVD）的过程中，加热的导线（粉红色的圆柱体）导致 "启动剂 "分子（红色）分裂，然后它们与用于涂层的单体（紫色）相互作用，使它们聚集在下面较冷的表面上，在那里它们反应形成聚合物链，因为它们建立了一个均匀的涂层（右下）。

　　今天，CVD是一种基本的制造工具--从太阳镜到土豆片袋都在使用--并且是今天大部分电子产品生产的基础。它也是一项不断完善和扩展的技术，将材料研究推向了新的方向--比如生产大规模的石墨烯片，或者开发可以"打印"到纸或塑料片上的太阳能电池。

　　在后一个领域，兼任麻省理工学院副教务长的格里森一直是一个先驱者。她将传统上用于在工业条件下沉积金属的高温工艺发展为可用于更精细材料（如有机聚合物）的低温工艺。这一发展是对联合碳化物公司在20世纪50年代发明的一种用于生产保护性聚合物涂层的方法的改进，例如，正是这一发展使得格里森和其他人开发的可打印太阳能电池成为可能。

　　CVD工艺始于含有引发剂材料（红色）和一种或多种单体（紫色和蓝色）的罐子，它们是所需聚合物涂层的组成部分。这些材料通过加热或降低压力而被汽化，然后被引入含有待涂材料的真空室。引发剂有助于加快单体在基底材料表面形成聚合物的链式连接的过程。

　　这种聚合物的气相沉积为各种材料打开了大门，而这些材料是很难，甚至在某些情况下不可能以任何其他方式生产的。例如，许多有用的聚合物，如保护工业部件或生物植入物的避水材料，是由不溶于水的前体制成的，因此不能用传统的溶液方法生产。此外，麻省理工学院的Alexander和I. Michael Kasser教授Gleason说，CVD工艺本身会在涂层和基材之间引起化学反应，从而使材料与表面牢固结合。

　　格里森在基于聚合物的CVD方面的工作始于20世纪90年代，当时她用特富龙（一种氯和氟的化合物）进行了实验。这项工作导致了现在一个蓬勃发展的领域，Gleason编辑的一本新书《CVD聚合物： 有机表面和设备的制造》（Wiley, 2015）。

　　当时的想法是，使CVD在聚合物材料上发挥作用的唯一方法是使用等离子体--一种带电的气体来启动反应。格里森试图进行实验来证明这一点，首先是在没有等离子体的情况下进行对照实验，以证明等离子体对于使该过程发挥作用是多么重要。相反，她的对照实验在没有等离子体的情况下也能正常工作，证明对许多聚合物来说，这个步骤是不必要的。

　　但是格里森使用的设备允许气体的温度与基底的温度分开控制；基底的温度被证明是关键。她继续用70多种不同的聚合物演示无等离子体工艺，开辟了一个全新的研究领域。

　　该工艺可能需要大量的微调，但从根本上说是一套简单的步骤： 要涂覆的材料被放置在一个真空室中，这决定了可以涂覆的物体的最大尺寸。然后，对涂层材料进行加热，或降低其周围的压力，直到材料在真空室中或在可以引入蒸汽的邻近区域蒸发。在那里，悬浮的材料开始沉淀在基体材料上，形成均匀的涂层。调整该过程的温度和持续时间，可以控制涂层的厚度。

　　对于金属或金属化合物，如用于半导体行业的金属，或零食袋内的银色涂层，加热的金属蒸气沉积在一个较冷的基材上。在聚合物工艺中，情况要复杂一些：两种或更多不同的前体化合物，称为单体，被引入室中，当它们沉积在表面时发生反应形成聚合物。

　　即使是高温CVD加工也在不断发展，具有巨大的商业应用潜力。例如，机械工程系副教授约翰-哈特（John Hart）的研究小组建立了一个卷对卷加工系统，使用CVD技术制造石墨烯片，这种材料具有从大屏幕显示器到水过滤系统的潜在应用。哈特的小组和其他小组已经用CVD技术生产了大量的碳纳米管，这些材料有可能成为电池或燃料电池的新电极。

　　哈特说："这是一个非常通用和广泛使用的制造工艺，也是一个非常通用的工艺，可以为许多不同的应用量身定做。"

　　CVD加工的一个巨大优势是，即使在复杂的形状上，它也能创造出厚度均匀的涂层。例如，CVD可以用来均匀地涂覆碳纳米管--微小的纯碳圆柱体，其细长程度远远超过一根头发--例如改变其机械性能，并使其与某些物质发生化学反应。

　　哈特说："通过结合两种CVD工艺--一种用于生长碳纳米管，另一种用于涂覆纳米管--我们有一种可扩展的方法来制造具有新特性的纳米材料。"

　　近年来CVD研究的许多进展可以追溯到格里森在20世纪90年代的意外发现，即该工艺可以在没有等离子体的情况下工作--以及她对这一发现的跟进。她说："当一个新事物发生时，你需要注意"这是某种程度上的关键"。