研究员Pylin Sarobol以一种微妙的方式解释了超细晶陶瓷涂层的优雅工艺：亚微米颗粒溅到表面上。
这一先进行为是桑迪亚国家实验室项目关键部分，动态地铺设陶瓷涂层。通过使高速亚微米陶瓷颗粒在室温下撞击到表面上，Sarobol和她的同事避免了加工陶瓷如氧化铝和钛酸钡所需的高温。
在室温下涂层使得微电子设计和制造更加灵活，并且有一天可以导致更好，更便宜的微电子元件，支撑现代技术。动力学过程产生非常强的纳米晶膜，可用作防磨损，腐蚀，氧化等保护层。
在涂料和添加剂制造领域工作的Sarobol表示，难以将陶瓷涂料和类似的硬质材料进行固结，然后将其与具有较低熔点的材料相结合。由于陶瓷部件在大约1300华氏度（700摄氏度）以上的温度下进行处理，因此可能难以将它们与在电气和机械装置中具有特定功能的某些材料组合。例如，当前的微型波导需要微小的加工出一小片电磁材料并将其粘贴到另一种材料上。
“在室温下放置陶瓷的能力意味着您可以同时加工陶瓷和低熔点材料，”Sarobol领导该项目，现在在第二年。“你现在可以把陶瓷放在铜上，在你先把陶瓷放在第一位之前，把铜放在它上面，这个过程真的是能将材料，特别是陶瓷与其他材料整合起来。”
它为制造提供了新的可能性 - 组合混合材料或微型电容器或传感器的电路。“您可以想象将功能材料喷涂到电路板上而不是高温处理，然后是繁琐的手动组装，”Sarobol说。
利用动能和材料性能
气溶胶沉积不是加热，而是使用微量和纳米级的动能和特殊材料特性。
还有很多事要了解这个过程。“我们真的需要花时间了解工艺参数，它们与所得到的微观结构以及我们需要的最终材料性能有关。”Sarobol说。“当我们考虑设计新设备时，我们需要保持结构处理属性的关系，让自己有时间进行研究，优化，并且了解如何使涂料的性能更好。”
然而，室温微量涂层不会是灵丹妙药，因为该方法产生纳米晶体结构 - 对于需要大晶粒结构以获得更好的器件功能的微执行器，微型电机或电容器等应用而言，它不是理想的说过。
“气溶胶沉积涂层由微小的20纳米晶体组成，我们通常称之为微晶或晶粒，”Sarobol说。“当我们加热涂层时，这些微小的晶体会增长，并且性能发生变化。通过控制微晶尺寸，我们可以以可预见的方式调整性能，为不同的应用创造更多功能的器件。
只有少数几个地方在这样的室温下工作，动力涂层工艺。Sarobol的初步研究成果是2016年3月结束的“陶瓷的室温固态沉积”两年期项目的主要调查人员，从而更好地了解涂料的基本构成和过程背后的科学基础。
接下来是优化流程，扩大可以制造和开发潜在应用的材料，这可能需要几年时间。
简而言之，这是如何工作的：在气溶胶沉积中，喷嘴将悬浮在气体中的亚微米颗粒加速到表面。颗粒撞击和粘贴，逐层建立涂层。一个关键是使用亚微米颗粒（比人类头发的直径小50倍），这使得研究人员能够利用仅在小尺度上发现的材料性质，并激活气溶胶颗粒中的塑性变形。塑性变形或可塑性是使物质在施加的应力下永久改变尺寸或形状的一种方式。这是亚微米颗粒的可塑性，其导致后续沉积层的固结，并产生层建立的连续表面。
另一个关键：沉积在真空中，这有助于减轻反射气体对飞散颗粒的影响。来自沉积基板的高速载气的反射可产生所谓的弓形冲击，难以使最小颗粒渗透的气体边界层。但是在真空中，反射气体被扩散，所以弓形冲击层更薄。行进较小的较小颗粒具有较高的动量，可以穿过薄的弓形震动层。没有真空，弓形冲击层较大，颗粒没有足够的动量来渗透到基底。
塑性变形对加工至关重要
通过弓形冲击层保持颗粒动能对于实现材料塑性变形至关重要，并且没有塑性变形，没有粘附和没有涂层。
当颗粒撞击基板或另一层时，它会通过称为位错成核和滑移的过程塑性变形并改变形状。Sarobol的团队发现，颗粒具有纳米骨折，使得它们“放置在基底上，如捣碎的饼干面团，形成一个薄饼状的谷物”。
击中和变形的下一颗颗粒会压倒原始层，形成更紧密的粘结。“所以你既有材料的变形或形状的变化，也没有破碎的压裂，最后是从随后的颗粒中捣实以帮助构建涂层。”Sarobol说。
这些机制使得许多层成为可能，建立了几十微米厚的涂层。Sarobol说：“我们已经制造了厚度达40微米的镍镀层，而在文献中我已经看到陶瓷的报道高达80微米。”
团队成员使用该方法成功地沉积了多种材料，包括铜，镍，氧化铝，二氧化钛，钛酸钡和碳化物。可能仅仅使用这种简短材料清单的应用包括电容器，电阻器，电感器，电触点和磨损表面。
特定于钛酸钡薄膜的诱人应用是高压系统中的电场管理。例如，高压电容器容易发生故障，其中电介质材料（钛酸钡）与铜电极和空气相接触，产生三材料结。
“如果您在这个接头处喷涂钛酸钡，您就可以开启更高功率电容器的可能性，”Sarobol说。“在我们实现足够的物业之前，还有更多的事情要做。”
其他研究人员首次对电触点，保护涂层或固结脆性和金属间化合物感兴趣。
该工艺还跨越了两种已建立的技术，薄膜和热喷涂技术之间的微观差距。薄膜是尺寸从纳米到几微米的涂层，其可以定义为精密电路，并且通过光刻技术而不是传统印刷电路板进行图案化。热喷涂技术可以生产约50微米至几厘米的涂层。
“这可以弥合那个缺失的空白，您可以在那里开始存储数百纳米的材料，达到一百微米，”Sarobol说。
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