Resolving the Heat of Trimethylaluminum and Water Atomic Layer Deposition Half-Reactions

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作者
Ashley R. Bielinski,Ethan P. Kamphaus,Lei Cheng,Alex B. F. Martinson
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (33): 15203-15210 被引量:8
标识
DOI:10.1021/jacs.2c05460
摘要

Atomic layer deposition (ALD) is a surface synthesis technique that is characterized by self-limiting reactions between gas-phase precursors and a solid substrate. Although ALD processes have been demonstrated that span the periodic table, a greater understanding of the surface chemistry that affords ALD is necessary to enable greater precision, including area- and site-selective growth. We offer new insight into the thermodynamics and kinetics of the trimethylaluminum (TMA) and H2O ALD half-reactions with calibrated and time-resolved in situ pyroelectric calorimetry. The half-reactions produce 3.46 and 2.76 eV/Al heat, respectively, which is greater than the heat predicted by computational models based on crystalline Al2O3 substrates and closely aligned with the heat predicted by standard heats of formation. The pyroelectric thin-film calorimeter offers submillisecond temporal resolution that uniquely and clearly resolves precursor delivery and reaction kinetics. Both half-reactions are observed to exhibit multiple kinetic rates, with average TMA half-reaction rates at least 2 orders of magnitude faster than the H2O half-reaction kinetics. Comparing the experimental heat with published computational literature and additional first-principles modeling highlights the need to refine our models and mechanistic understanding of even the most ubiquitous ALD reactions.
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