本书是面向研究生和从事材料研发等相关行业的科研人员系统介绍原子层沉积技术原理及其应用的一本专业书籍，共分为十七章。包括原子层沉积的发展历史、原理、设备、前驱体、沉积材料与生长机理以及理论计算与模拟等基础内容，又着重论述等离子体增强原子层沉积和分子层沉积等特色技术，涉及了原子层沉积在微电子、纳米技术、光学、能源、催化、含能材料、生物医学、封装、防腐、分离膜等领域的应用，还特别介绍了正在快速发展中的原子层刻蚀技术。本书内容丰富新颖，在注重原子层沉积基本原理和生长机制阐述的同时，又突出了原子层沉积（刻蚀）材料的先进性和应用的前沿性，反映了原子层沉积（刻蚀）技术中的一些最新进展和成果，是先进技术原理与实际应用的有机结合。
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目录
第二版前言
第1章 原子层沉积技术概述
1.1 原子层沉积技术诞生与发展 1
1.2 原子层沉积技术现状与应用 11
1.3 原子层沉积技术挑战与展望 14
参考文献 15
第2章 原子层沉积原理
2.1 原子层沉积基本原理 23
2.1.1 原子层沉积系统的基本结构 23
2.1.2 原子层沉积中的表面化学特性 24
2.1.3 影响原子层沉积速度的因素 30
2.2 原子层沉积的特点 38
2.2.1 原子层沉积的特点、优势与局限 38
2.2.2 原子层沉积的一致性与重复性 40
2.3 原子层沉积分类 52
2.3.1 原子层沉积反应室 52
2.3.2 空间原子层沉积 54
2.3.3 电化学原子层沉积 55
2.4 原子层沉积中的原位表征与监控 56
参考文献 63
第3章 原子层沉积设备
3.1 原子层沉积设备概述 68
3.2 原子层沉积反应器的主要类型 70
3.2.1 热壁反应器 71
3.2.2 冷壁反应器 74
3.3 原子层沉积工业化设备的进展 77
3.3.1 先进半导体芯片加工设备 77
3.3.2 光伏高效电池加工设备 81
3.4 总结与展望 84
参考文献 85
第4章 原子层沉积前驱体 87
4.1 原子层沉积前驱体要求 87
4.2 原子层沉积前驱体种类 88
4.3 原子层沉积前驱体特点及其应用 90
4.3.1 金属类前驱体 90
4.3.2 非金属类前驱体 102
4.4 原子层沉积前驱体设计与理论计算 104
4.4.1 金属与配体的配键强度 104
4.4.2 前驱体热稳定性 105
4.4.3 前驱体水解活性 105
4.4.4 前驱体设计筛选流程 107
4.4.5 基于ALD反应机理的前驱体设计 108
参考文献 111
第5章 原子层沉积材料与生长机理 119
5.1 引言 119
5.2 原子层沉积氧化物 120
5.2.1 H2O作为氧源 121
5.2.2 活性氧作为氧源 122
5.2.3 H2O2作为氧源 124
5.2.4 醇盐作为氧源 124
5.3 原子层沉积氮化物 125
5.3.1 热ALD制备氮化物 125
5.3.2 PEALD制备氮化物 127
5.4 原子层沉积半导体 129
5.4.1 元素半导体 129
5.4.2 III-V族半导体 130
5.4.3 Ⅱ-Ⅵ族半导体 132
5.5 原子层沉积金属 133
5.5.1 贵金属 133
5.5.2 过渡金属 136
5.5.3 活泼金属 140
5.5.4 原子层沉积金属面临的挑战 141
5.6 原子层沉积其他材料 142
5.6.1 二维材料 142
5.6.2 原子层沉积金属氟化物 146
参考文献 149
第6章 原子层沉积理论计算与模拟 157
6.1 理论计算与模拟方法简介 157
6.1.1 量子力学方法 157
6.1.2 分子力学方法 161
6.1.3 分子动力学模拟 161
6.1.4 蒙特卡罗模拟 162
6.2 原子层沉积反应机理的理论计算 163
6.2.1 SiO2ALD的反应机理 163
6.2.2 Al2O3ALD的反应机理 170
6.2.3 HfO2ALD的反应机理 172
6.3 原子层沉积的生长过程模拟 174
6.3.1 动力学蒙特卡罗方法 174
6.3.2 蒙特卡罗与分子动力学组合方法 175
6.3.3 机器学习势分子动力学方法 177
6.4 挑战与展望 178
参考文献 179
第7章 等离子体增强原子层沉积技术及其应用 185
7.1 等离子体增强原子层沉积原理 186
7.1.1 等离子体增强原子层沉积基本原理 186
7.1.2 等离子体的性质 187
7.2 等离子体增强原子层沉积的设备 189
7.2.1 自由基增强原子层沉积 190
7.2.2 直接等离子体原子层沉积 190
7.2.3 远程等离子体原子层沉积 191
7.2.4 空心阴极等离子体原子层沉积 191
7.3 等离子体增强原子层沉积的特点 192
7.3.1 降低沉积温度 192
7.3.2 拓宽前驱体、生长薄膜材料和衬底的种类 193
7.3.3 提高沉积速率 193
7.3.4 改进薄膜性能 195
7.3.5 多功能化 196
7.3.6 局限 196
7.4 等离子体增强原子层沉积生长的材料与工艺 198
7.4.1 金属 199
7.4.2 氧化物 199
7.4.3 SiO2与 SiNx 200
7.4.4 氮化物 200
7.4.5 其他材料 201
7.5 等离子体增强原子层沉积的应用 201
7.5.1 铜互连的扩散阻挡层 201
7.5.2 高介电常数材料 203
7.5.3 等离子体质位处理 205
7.5.4 低温（室温）沉积 206
7.5.5 其他应用 208
7.6 展望与挑战 209
参考文献 209
第8章 分子层沉积及其应用 217
8.1 分子层沉积概述 217
8.2 分子层沉积材料及其表面化学 220
8.2.1 有机聚合物 220
8.2.2 有机－无机杂化物 225
8.2.3 金属有机骨架材料 240
8.2.4 有机-无机杂化介孔薄膜 244
8.3 分子层沉积应用 247
8.3.1 有机聚合物 248
8.3.2 有机-无机杂化材料 252
8.3.3 金属有机骨架材料 262
8.3.4 有机-无机杂化介孔薄膜 265
8.4 挑战与展望 269
参考文献 269
第9章 原子层沉积在微电子领域的应用 276
9.1 引言 276
9.2 逻辑器件 277
9.2.1 Si基MOSFET器件 277
9.2.2 Ge基MOSFET器件 279
9.2.3 III-V族MOSFET器件 282
9.2.4 碳纳米管和二维半导体FET器件 285
9.3 存储器件与类神经突触器件 290
9.3.1 动态随机存储器 291
9.3.2 电荷俘获型存储器 294
9.3.3 相变存储器 300
9.3.4 阻变存储器 303
9.3.5 铁电随机存储器 306
9.3.6 磁记录存储材料 309
9.3.7 类神经突触的忆阻器 313
9.4 其他应用 321
9.4.1 金属互连、阻挡层和籽晶层 321
9.4.2 高密度MIM/MOM电容 322
9.5 小结 324
参考文献 324
10.1 原子层沉积在纳米图形制备中的应用 331
10.1.1 选区原子层沉积 331
10.1.2 自对准原子层沉积 341
10.1.3 间隔层限制的双重图形技术 342
10.1.4 ALD辅助的嵌段共聚物光刻 344
10.2 原子层沉积在纳米结构制备中的应用 346
10.2.1 模板辅助的纳米结构的制备 346
10.2.2 催化辅助的纳米结构的制备 348
10.3 原子层沉积在表面、界面工程中的应用 349
10.3.1 表面工程 350
10.3.2 界面工程 353
10.4 原子层沉积在纳米器件中的应用 358
10.4.1 微纳机电系统 358
10.4.2 纳流体器件 360
10.4.3 单分子传感器件 362
10.4.4 磁隧道结器件 362
10.4.5 气敏传感器 363
参考文献 366
第11章 原子层沉积在光学领域的应用 373
11.1 引言 373
11.2 传统光学器件 373
11.3 新型光学器件 377
11.3.1 光子晶体 377
11.3.2 表面等离激元 380
11.3.3 光学微腔 385
11.3.4 其他光学器件 387
11.4 透明导电电极 389
11.4.1 原子层沉积制备透明导电氧化物薄膜 389
11.4.2 ALD稳定金属基透明电极 391
11.4.3 应用举例 392
11.5 传感与探测器件 394
11.5.1 光电探测器 394
11.5.2 光纤传感 400
11.6 发光显示 406
11.6.1 发光材料制备 406
11.6.2 表面修饰 408
11.7 机遇与挑战 411
参考文献 412
第12章 原子层沉积技术在能源领域的应用 420
12.1 引言 420
12.2 原子层沉积技术在锂离子电池领域的应用 420
12.2.1 锂离子电池的简介 420
12.2.2 锂离子电池材料的ALD合成 422
12.2.3 三维全国态锂电池的ALD制备 427
12.2.4 电极材料的表面修饰 429
12.2.5 ALD抑制锂金属枝晶 434
12.2.6 小结 440
12.3 原子层沉积技术在大阳能电池领域的应用 441
12.3.1 纳米结构光电极的ALD制备 441
12.3.2 基于ALD的电极表面钝化 444
12.3.3 基于ALD的电极表面钝化 446
12.3.4 基于ALD的能带调控 448
12.3.5 ALD在钙钛矿太阳能电池中的应用 449
12.3.6 小结 451
12.4 其他应用 452
12.4.1 ALD技术在超级电容器领域的应用 452
12.4.2 ALD技术在燃料电池领域的应用 456
12.4.3 ALD技术在光电化学分解水领域的应用 460
12.4.4 ALD技术在大阳能光热转化领域的应用 465
12.5 展望与挑战 467
参考文献 467
13.2.1 静态颗粒上的原子层沉积 479
13.2.2 流化床原子层沉积 480
13.2.3 旋转式原子层沉积 484
13.2.4 高深宽比结构的原子层沉积 486
13.3 负载型金属催化剂的ALD 合成及其应用 489
13.3.1 负载型金属催化剂的ALD 合成 489
13.3.2 负载型金属催化剂的稳定化 494
13.3.3 应用举例 495
13.4 氧化物催化剂的ALD合成及其应用 497
13.4.1 氧化物催化剂的ALD合成 497
13.4.2 应用举例 500
13.5 单原子催化剂的ALD合成及其应用 503
13.5.1 单原子催化剂及其ALD合成、应用的概述 504
13.5.2 单原子催化剂的ALD制备、表征与应用举例 507
13.5.3 基于ALD的单原子催化剂的展望与挑战 514
参考文献 515
第14章 原子层沉积在含能材料领域的应用 520
14.1 引言 520
14.2 原子层沉积技术在可控合成亚稳态分子间复合物方面的应用 521
14.2.1 双组分亚稳态分子间复合物 521
14.2.2 多组分亚稳态分子间复合物 527
14.3 原子层沉积技术在提升含能材料安全性方面的应用 529
14.3.1 高能固体燃料 529
14.3.2 高能炸药 533
14.4 原子层沉积技术在改善含能材料稳定性方面的应用 535
14.4.1 高能固体燃料 535
14.4.2 高能氧化剂 540
14.5 原子层沉积技术在精准构建燃烧催化剂方面的应用 541
14.5.1 高氯酸铵复合型燃烧催化剂 542
14.5.2 负载型金属氧化物燃烧催化剂 543
参考文献 548
第15章 原子层沉积在生物医学领域的应用 551
15.1 引言 551
15.2 基于生物模板和仿生的原子层沉积 551
15.2.1 蛋白质基纳米结构 552
15.2.2 肽聚集体 553
15.2.3 天然纤维 554
15.2.4 图案型生物材料 556
15.2.5 生物矿化结构 559
15.3 基于聚合物的原子层沉积 559
15.3.1 聚合物基体上原子层沉积反应机理 560
15.3.2 原子层沉积在聚合物基体上的应用 564
15.4 生物相容性涂层原子层沉积及其应用 566
15.4.1 ALD生长生物相容性涂层 566
15.4.2 植入支架方面的应用 568
15.4.3 牙科材料方面的应用 571
15.5 原子层沉积薄膜在生物医学领域的其他应用 573
15.5.1 生物传感器 573
15.5.2 生物检测 575
15.5.3 生物电子器件 575
参考文献 576
第16章 原子层沉积在其他领域的应用 581
16.1 引言 581
16.2 原子层沉积在封装领域的应用 581
16.2.1 有机发光二极管的封装 583
16.2.2 有机钙钛矿太阳能电池的封装 590
16.3 原子层沉积在金属防腐保护领域的应用 591
16.4 原子层沉积在分离膜领域的应用 596
16.5 小结 600
参考文献 600
17.2 原子层刻蚀原理 606
17.2.1 基本原理 606
17.2.2 等离子体原子层刻蚀原理 608
17.2.3 热原子层刻蚀原理 612
17.2.4 原子层刻蚀的特点 619
17.3 原子层刻蚀材料 621
17.3.1 等离子体原子层刻蚀材料 621
17.3.2 热原子层刻蚀材料 626
17.4 原子层刻蚀的应用 629
17.5 展望与挑战 631
参考文献 632
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