原子层沉积制造技术及生物传感应用

原子层沉积（atomic layer deposition, ALD）是通过将气相前驱体脉冲交替通入反应室并在沉积基体表面发生化学吸附反应形成薄膜的一种沉积方法。基于独特的自限制表面化学反应机理，ALD技术沉积的薄膜具有良好的大面积均匀性、精确的薄膜厚度控制和三维共形性等特点。
近20多年来，随着工业技术的高速发展，对原子层沉积技术的要求不断提高，在传统的热原子层沉积的基础上，已经开发出了多金属源共馈原子层沉积、等离子体增强原子层沉积、空间原子层沉积、电化学原子层沉积和区域选择性原子层沉积等技术。其中，作者所在研究团队优化设计的多金属源共馈原子层沉积技术实现了二维异质结薄膜的可控制造，这极大地扩宽和丰富了该技术在摩擦学、电磁学、噪声、量子和生物传感器等领域的前沿发展。
癌症严重威胁着人类的生命健康，生物传感器作为实现癌症早期诊断的有效工具，受到了广泛关注。传感器性能的突破很大程度上依赖于材料创新和制造工艺的进步，而原子层沉积技术可实现精确的厚度控制并具有出色的保形性，被认为是制造高比表面积和复杂微纳结构的生物传感器的理想手段。基于原子层沉积开发的生物传感器尽管表现出灵敏度高、稳定性好等优点，但目前的检测对象多为葡萄糖和蛋白质，相关生物传感器的检测灵敏度还待进一步提高。将具有多种形貌与优异性能的复杂微纳结构与传统生物传感器结合，也有助于开发出满足不同场景使用需求的新型器件。
本书根据作者多年从事微纳制造和生物传感的科研成果和工作经验，结合国内外原子层沉积技术及生物传感应用的最新研究进展撰写而成，既强调内容的逻辑性，又注重其前沿性，是先进技术与前沿应用的有机结合。全书共分7章，第1章和第2章主要介绍原子层沉积技术的基本原理、特点、系统和工作模式，然后聚焦于原子层沉积技术的拓展，包括对多金属源共馈原子层沉积和等离子体增强原子层沉积等新兴技术的探究；第3章介绍原子层沉积技术在摩擦、吸波、噪声和量子领域的应用；第4～7章介绍原子层沉积技术在生物传感领域的应用，具体分为表面增强拉曼散射传感器、电化学传感器、光电化学传感器和场效应管传感器。这些研究成果和理论对当前微纳加工和生物传感检测技术的发展具有积极推动作用，希望对相关领域的读者有所启发和借鉴。
目前，原子层沉积技术正在高速发展，应用领域也在不断丰富和拓展，书中难免存在不足之处，恳请广大读者批评指正。
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著者

本书系统介绍了原子层沉积技术原理及生物传感应用，共分7章，主要内容包括原子层沉积（ALD）技术的基本原理、特点、系统和工作模式，聚焦于ALD技术的拓展，涉及了ALD在摩擦、电磁、噪声、量子和生物传感器领域的应用，重点介绍该技术在生物医学检测领域的前沿发展，在阐明ALD技术基本原理的同时，介绍其在前沿领域的先进性和实际应用。 
本书可供微纳制造与传感检测等领域的技术工作者阅读使用，也可作为高等院校相关专业师生的参考书。

1 原子层沉积（ALD）概述 1
1.1 原子层沉积技术原理 2
1.2 原子层沉积技术的特点 7
1.3 原子层沉积系统 8
1.3.1 横向流动式 9
1.3.2 垂直流动式 9
1.3.3 径向流动式 10
1.4 原子层沉积材料 10
参考文献 11

2 原子层沉积技术拓展 15
2.1 多金属源共馈ALD 16
2.1.1 多金属源共馈ALD原理 16
2.1.2 多金属源共馈ALD系统 17
2.1.3 多金属源共馈ALD沉积异质结构 18
2.2 等离子体增强ALD技术 19
2.2.1 多金属源共馈ALD原理 20
2.2.2 等离子体增强ALD的特点 21
2.2.3 等离子体增强ALD系统 24
2.2.4 等离子体增强ALD沉积材料 26
2.3 区域选择性ALD 26
2.3.1 多金属源共馈ALD原理 26
2.3.2 区域选择性ALD分类 27
2.3.3 流化床式ALD原理 31
2.3.4 流化床式ALD分类 32
2.4 空间ALD 34
2.5 电化学ALD 35
2.6 多功能ALD 36
参考文献 39

3 ALD应用于表界面性能调控 44
3.1 ALD应用于微纳表界面性能调控概述 45
3.2 ALD应用于表面摩擦性能调控 47
3.2.1 调控薄膜厚度 47
3.2.2 调控薄膜微结构 55
3.2.3 调控薄膜形貌 59
3.3 ALD应用于电磁特性调控 66
3.3.1 电磁屏蔽结构的ALD制造与调控 66
3.3.2 电磁特性调控 68
3.3.3 吸波和屏蔽机理 72
3.4 ALD应用于传感噪声调控 77
3.4.1 氮化硅表面修饰和氧化铝纳米孔的ALD制造与调控 77
3.4.2 氮化硅与氧化铝纳米孔DNA分子检测 79
3.5 ALD应用于NV色心量子特性调控 81
3.5.1 NV色心简介 81
3.5.2 TiO2涂层对NV色心光学特性调控 84
3.5.3 MoS2薄膜对NV色心光学特性调控 86
参考文献 89

4 ALD应用于表面增强拉曼散射调控 94
4.1　表面增强拉曼散射（SERS）概述 95
4.2　SERS传感器热点的ALD制造与调控 100
4.2.1　SERS热点的可控制造 100
4.2.2　SERS增强机制 103
4.2.3　SERS性能分析 104
4.3　SERS传感器生物检测应用 110
4.3.1　SERS生物传感器构筑 111
4.3.2　SERS生物传感应用验证 112
参考文献 116

5 ALD应用于电化学生物传感器 119
5.1　电化学（EC）生物传感器概述 120
5.2　MoS2薄膜的ALD制造与调控 122
5.2.1　高比表面积薄膜的可控制造 122
5.2.2　传感机理 125
5.2.3　MoS2薄膜生物传感应用验证 127
5.3　MoS2纳米管的ALD制造与调控 129
5.3.1　MoS2纳米管可控制造 129
5.3.2　传感机理 134
5.3.3　MoS2纳米管生物传感应用验证 135
参考文献 138

6 ALD应用于光电化学生物传感器 139
6.1　光电化学（PEC）生物传感器概述 140
6.2　光响应纳米通道的ALD制造与调控 142
6.2.1　光响应纳米通道可控制造 143
6.2.2　光响应通道电流传输调控 145
6.2.3　光响应纳米通道生物传感器应用验证 147
6.3　Pt/MoS2纳米管的ALD制造与调控 153
6.3.1　Pt/MoS2纳米管可控制造 154
6.3.2　单原子分布催化调控 157
6.3.3　Pt/MoS2纳米管酶反应生物传感应用验证 160
6.4　MoS2/ReS2异质结的ALD制造与调控 165
6.4.1　MoS2/ReS2异质结可控制造 165
6.4.2　MoS2/ReS2异质结的PEC性能调控 174
6.4.3　MoS2/ReS2异质结生物传感应用验证 177
参考文献 187

7 ALD应用于场效应管生物传感器 191
7.1　场效应管（FET）生物传感器概述 192
7.2　ReS2-MoS2异质结纳米管的ALD制造与调控 198
7.2.1　MoS2纳米管的可控制造 198
7.2.2　ReS2-MoS2超晶格纳米管的可控制造 204
7.2.3　生物传感器构筑 205
7.2.4　ReS2-MoS2超晶格纳米管生物传感应用验证 207
7.3　SWCNTs/MoS2复合薄膜的ALD制造与调控 209
7.3.1　SWCNTs/MoS2薄膜可控制造 210
7.3.2　生物传感器构筑 211
7.3.3　SWCNTs/MoS2生物传感应用验证 214
7.4　C60/MoS2薄膜的ALD制造与调控 216
7.4.1　C60/MoS2薄膜可控制造 216
7.4.2　生物传感器构筑 220
7.4.3　C60/MoS2生物传感应用验证 222
参考文献 224