化學氣相沉積（CVD）工藝及它的未來

　　麻省理工學院化學工程教授Karen Gleason說，從某種意義上說，你可以將化學氣相沉積技術或CVD一直追溯到史前： 她說："當穴居人點燃一盞燈，煙塵沉積在山洞的墻壁上時，"那是一種初級形式的CVD。

　　在被稱為啟動化學氣相沉積（iCVD）的過程中，加熱的導線（粉紅色的圓柱體）導致 "啟動劑 "分子（紅色）分裂，然后它們與用于涂層的單體（紫色）相互作用，使它們聚集在下面較冷的表面上，在那里它們反應形成聚合物鏈，因為它們建立了一個均勻的涂層（右下）。

　　今天，CVD是一種基本的制造工具--從太陽鏡到土豆片袋都在使用--并且是今天大部分電子產品生產的基礎。它也是一項不斷完善和擴展的技術，將材料研究推向了新的方向--比如生產大規模的石墨烯片，或者開發可以"打印"到紙或塑料片上的太陽能電池。

　　在后一個領域，兼任麻省理工學院副教務長的格里森一直是一個先驅者。她將傳統上用于在工業條件下沉積金屬的高溫工藝發展為可用于更精細材料（如有機聚合物）的低溫工藝。這一發展是對聯合碳化物公司在20世紀50年代發明的一種用于生產保護性聚合物涂層的方法的改進，例如，正是這一發展使得格里森和其他人開發的可打印太陽能電池成為可能。

　　CVD工藝始于含有引發劑材料（紅色）和一種或多種單體（紫色和藍色）的罐子，它們是所需聚合物涂層的組成部分。這些材料通過加熱或降低壓力而被汽化，然后被引入含有待涂材料的真空室。引發劑有助于加快單體在基底材料表面形成聚合物的鏈式連接的過程。

　　這種聚合物的氣相沉積為各種材料打開了大門，而這些材料是很難，甚至在某些情況下不可能以任何其他方式生產的。例如，許多有用的聚合物，如保護工業部件或生物植入物的避水材料，是由不溶于水的前體制成的，因此不能用傳統的溶液方法生產。此外，麻省理工學院的Alexander和I. Michael Kasser教授Gleason說，CVD工藝本身會在涂層和基材之間引起化學反應，從而使材料與表面牢固結合。

　　格里森在基于聚合物的CVD方面的工作始于20世紀90年代，當時她用特富龍（一種氯和氟的化合物）進行了實驗。這項工作導致了現在一個蓬勃發展的領域，Gleason編輯的一本新書《CVD聚合物： 有機表面和設備的制造》（Wiley, 2015）。

　　當時的想法是，使CVD在聚合物材料上發揮作用的唯一方法是使用等離子體--一種帶電的氣體來啟動反應。格里森試圖進行實驗來證明這一點，首先是在沒有等離子體的情況下進行對照實驗，以證明等離子體對于使該過程發揮作用是多么重要。相反，她的對照實驗在沒有等離子體的情況下也能正常工作，證明對許多聚合物來說，這個步驟是不必要的。

　　但是格里森使用的設備允許氣體的溫度與基底的溫度分開控制；基底的溫度被證明是關鍵。她繼續用70多種不同的聚合物演示無等離子體工藝，開辟了一個全新的研究領域。

　　該工藝可能需要大量的微調，但從根本上說是一套簡單的步驟： 要涂覆的材料被放置在一個真空室中，這決定了可以涂覆的物體的最大尺寸。然后，對涂層材料進行加熱，或降低其周圍的壓力，直到材料在真空室中或在可以引入蒸汽的鄰近區域蒸發。在那里，懸浮的材料開始沉淀在基體材料上，形成均勻的涂層。調整該過程的溫度和持續時間，可以控制涂層的厚度。

　　對于金屬或金屬化合物，如用于半導體行業的金屬，或零食袋內的銀色涂層，加熱的金屬蒸氣沉積在一個較冷的基材上。在聚合物工藝中，情況要復雜一些：兩種或更多不同的前體化合物，稱為單體，被引入室中，當它們沉積在表面時發生反應形成聚合物。

　　即使是高溫CVD加工也在不斷發展，具有巨大的商業應用潛力。例如，機械工程系副教授約翰-哈特（John Hart）的研究小組建立了一個卷對卷加工系統，使用CVD技術制造石墨烯片，這種材料具有從大屏幕顯示器到水過濾系統的潛在應用。哈特的小組和其他小組已經用CVD技術生產了大量的碳納米管，這些材料有可能成為電池或燃料電池的新電極。

　　哈特說："這是一個非常通用和廣泛使用的制造工藝，也是一個非常通用的工藝，可以為許多不同的應用量身定做。"

　　CVD加工的一個巨大優勢是，即使在復雜的形狀上，它也能創造出厚度均勻的涂層。例如，CVD可以用來均勻地涂覆碳納米管--微小的純碳圓柱體，其細長程度遠遠超過一根頭發--例如改變其機械性能，并使其與某些物質發生化學反應。

　　哈特說："通過結合兩種CVD工藝--一種用于生長碳納米管，另一種用于涂覆納米管--我們有一種可擴展的方法來制造具有新特性的納米材料。"

　　近年來CVD研究的許多進展可以追溯到格里森在20世紀90年代的意外發現，即該工藝可以在沒有等離子體的情況下工作--以及她對這一發現的跟進。她說："當一個新事物發生時，你需要注意"這是某種程度上的關鍵"。