分子層沉積

分子層沉積（molecular layer deposition，MLD）是一種基於以順序方式進行的自限性表面反應的氣相薄膜沉積技術。本質上，MLD類似於成熟的原子層沉積（ALD）技術，但ALD僅限於全無機塗層，而MLD的前驅體化學也可以使用小型雙官能有機分子。這不僅可以實現類似於聚合過程的有機層生長，還能以受控方式將兩類構建單元連接在一起，從而構建有機-無機雜化材料。

儘管MLD在薄膜沉積領域已是已知技術，但由於其發展時間相對較短，其研究程度尚不如對應的無機技術（ALD），預計未來幾年將迎來廣泛的領域發展。

## 歷史

分子層沉積的姐妹技術——原子層沉積（ALD），其歷史可追溯到20世紀70年代，這歸功於Valentin Borisovich Aleskovskii和圖奧莫·松托拉的獨立工作。然而，直到1991年，Tetsuzo Yoshimura及其同事發表了一篇關於使用胺和酸酐作為反應物合成聚醯亞胺的文章，首批使用有機分子的MLD實驗才正式面世。在20世紀90年代對有機化合物進行了一些研究後，通過結合ALD和MLD技術，首批關於雜化材料的論文開始湧現。自此以後，每年提交的關於分子層沉積的文章數量穩步增加，沉積層的種類也更加多樣，包括聚醯胺、聚亞胺、聚脲、聚硫脲以及一些共聚物，其中雜化薄膜的沉積尤其受到關注。

## 反應機制

與原子層沉積過程類似，在MLD過程中，反應物以順序、循環的方式通入脈衝，所有氣-固反應在樣品基底上均具有自限性。每一個循環被稱為MLD循環，層生長以每循環生長速率（GPC）衡量，通常表示為nm/cycle或Å/cycle。在典型的雙前驅體實驗中，MLD循環步驟如下：

首先，前驅體1被脈衝打入反應器，在其中發生反應並化學吸附到樣品表面的表面物質上。一旦所有吸附位點都被覆蓋並達到飽和，就不再有前驅體附著，多餘的前驅體分子和生成的副產物將通過惰性氣體吹掃或將反應室抽空來移出反應器。只有當反應室經過適當的惰性氣體吹掃或抽真空至基礎壓力（~10−6mbar範圍），且上一步驟中所有不需要的分子都被移除後，才能引入前驅體2。否則，該過程會面臨類CVD生長的風險，即兩種前驅體在附著到樣品表面之前就在氣相中發生反應，導致塗層具有不同的特性。

接著，通入前驅體2的脈衝，它與之前錨定在表面的前驅體1分子發生反應。該表面反應同樣是自限性的，在再次吹掃或抽空反應器至基礎壓力後，會留下一個由表面基團終止的層，這些基團在下一個循環中可以再次與前驅體1反應。在理想情況下，MLD循環的重複將一次構建一個單原子層的有機/無機薄膜，從而實現具有精確厚度控制和高純度的極高保形塗層。

如果結合ALD和MLD，可以使用範圍更廣的更多前驅體，包括無機和有機前驅體。此外，ALD/MLD循環中還可以包含其他反應，例如等離子體或自由基暴露。通過這種方式，可以通過調整ALD和MLD循環次數以及循環內包含的步驟，根據研究需求自由定製實驗。

## 工藝化學與表面反應

前驅體化學在MLD中起著關鍵作用。前驅體分子的化學性質決定了所沉積雜化材料的組成、結構和穩定性。為了在短時間內達到飽和階段並確保合理的沉積速率，前驅體必須在表面發生化學吸附，與表面活性基團快速反應，並彼此發生反應。理想的MLD反應應具有較大的負∆G值。

有機化合物被用作MLD的前驅體。為了有效利用，前驅體應具有足夠的蒸氣壓和熱穩定性，以便在氣相中傳輸至反應區而不發生分解。揮發性受分子量和分子間相互作用的影響。MLD面臨的挑戰之一是尋找具有足夠蒸氣壓、反應性和熱穩性的有機前驅體。大多數有機前驅體的揮發性較低，需要加熱以確保有足夠的蒸氣到達基底。有機前驅體的骨架可以是柔性的（如脂肪族）或剛性的（如帶有官能團的芳香族）。有機前驅體通常是帶有-OH、-COOH、-NH2、-CONH2、-CHO、-COCl、-SH、-CNO、-CN、烯烴等官能團的同官能或異官能雙官能分子。前驅體的雙官能性質對於薄膜的持續生長至關重要，因為預期一個基團與表面反應，而另一個基團則可與下一個脈衝的共反應物發生反應。附著的官能團在前驅體的反應性和結合模式中起著至關重要的作用，它們應當能夠與表面存在的官能團反應。柔性骨架可能會通過背配位阻礙連續緻密薄膜的生長，從而阻塞反應位點並降低薄膜生長速率。因此，尋找滿足上述所有要求的MLD前驅體並非易事。

表面基團作為反應中間體起著至關重要的作用。基底通常經過羥基化或氫終止處理，羥基作為反應連接體與金屬發生縮合反應。無機前驅體通過相應的連接化學與表面反應基團反應，形成新的O-金屬鍵。金屬前驅體步驟改變了表面終止狀態，使表面留下了準備與有機前驅體反應的新反應位點。有機前驅體通過與金屬位點共價結合在所得表面上發生反應，釋放出金屬配體，並留下另一個準備進行下一次脈衝的反應分子層。每個吸附步驟後都會釋放副產物，反應總結如下。

## 工藝考慮因素

在執行作為ALD變體的MLD工藝時，為獲得具有適當純度和生長速率的理想層，某些方面需要考慮：

### 飽和

在開始實驗之前，研究人員必須了解所設計的工藝是否會產生飽和或不飽和條件。如果這一信息未知，則優先需要了解它以獲得準確的結果。如果沒有留出足夠長的前驅體脈衝時間，樣品的表面反應位點將沒有足夠的時間與氣相分子反應並形成單層，這將轉化為較低的每循環生長速率（GPC）。為了解決這個問題，可以進行飽和實驗，在不同的前驅體脈衝時間下原位監測薄膜生長，然後將GPC隨脈衝時間繪製成圖以找到飽和條件。

此外，吹掃時間過短會導致反應室內殘留前驅體分子，這些分子會對下一步引入的新前驅體分子在氣相中產生反應，從而得到不希望的CVD生長層。

### MLD窗口

薄膜生長通常取決於沉積溫度，稱為MLD窗口，即在此溫度範圍內，理想情況下薄膜生長將保持恆定。當在MLD窗口之外工作時，可能會出現一系列問題：

- 在較低溫度下工作時：由於反應性不足導致生長受限；或發生冷凝，出現高於預期的GPC。
- 在較高溫度下工作時：前驅體分解，引發非飽和的失控生長；或發生解吸，降低沉積速率。

此外，即使在MLD窗口內工作，由於其他溫度相關因素（如薄膜擴散、反應位點數量或反應機理）的影響，GPC有時仍會隨溫度變化。

### 非理想性

#### 非單層生長

在執行MLD工藝時，每個循環一個單層這種理想情況通常並不適用。實際上，許多參數會影響薄膜的生長速率，從而產生非理想性，如亞單層生長（每個循環沉積的厚度小於完整的一層）、島狀生長和島的併合。

#### 基底效應

在MLD過程中，薄膜生長通常會達到一個恆定值（GPC）。然而，在最初的幾個循環中，進入的前驅體分子不會與已生長材料的表面相互作用，而是與裸基底相互作用，因此會經歷具有不同反應速率的不同化學反應。因此，生長速率可能會經歷基底增強（基底-薄膜反應快於薄膜-薄膜反應），從而在最初的幾個循環中產生較高的GPC；或者基底抑制（基底-薄膜反應慢於薄膜-薄膜反應），伴隨著開始階段GPC的降低。在任何情況下，某些沉積中的工藝生長速率在這兩種情況下都可能非常相似。

#### 低於預期的生長

在MLD中，經常觀察到實驗產生的生長速率低於預期，這並不奇怪。產生這一現象的原因有以下幾點：

- 分子傾斜：具有長鏈的有機分子傾向於不完全垂直於表面，從而降低了表面位點的數量。
- 雙齒配體：當反應分子具有兩個官能團時，它可能會彎曲並與兩個表面位點反應，而不是直立在表面上。例如，在使用乙二醇和甘油生長的鈦酸酯（titanicones）中已經證明了這一點。因為與乙二醇相比，甘油具有額外的羥基，並且在末端羥基與表面發生雙重反應的情況下能夠提供額外的反應性羥基。
- 位阻效應：有機前驅體通常體積較大，附著在表面時會覆蓋多個表面基團。
- 長脈衝時間：有機前驅體的蒸氣壓可能非常低，為了達到飽和，可能需要非常長的脈衝時間。此外，通常需要較長的吹掃時間來隨後移除室內所有未反應的分子。
- 低溫度：為了增加前驅體的蒸氣壓，人們可能會考慮提高其溫度。然而，有機前驅體通常在熱學上非常脆弱，溫度升高可能會引發分解。
- 氣相限制：許多有機反應通常在液相中進行，因此依賴於酸鹼相互作用或溶劑化效應。這些效應在氣相中不存在，因此，許多工藝會產生較低的反應速率，或者直接無法進行。

通過使用具有剛性骨架的前驅體、具有兩個以上官能團的前驅體、三步反應序列、或使用發生開環反應的前驅體，可以儘可能避免這種現象。

### 前驅體的物理狀態

#### 液體前驅體

高揮發性和易於處理使液體前驅體成為ALD/MLD的首選。通常，液體前驅體在室溫下具有足夠高的蒸氣壓，因此幾乎不需要加熱。它們也不易出現固體前驅體常見的結塊、粒徑變化、溝流等問題，並能提供一致且穩定的蒸氣輸送。因此，一些低熔點的固體前驅體通常以液態形式使用。

通常使用載氣將前驅體蒸氣從其源輸送到反應器。在前驅體源處，藉助電磁閥和針閥，前驅體蒸氣可以直接夾帶到該載氣中。另一方面，載氣可以流過裝有前驅體的容器頂部空間，或通過鼓泡方式穿過前驅體。對於後者，浸沒管式鼓泡器非常常用。該裝置包括一個幾乎在充滿前驅體的密封安瓿瓶底部開口的空心管（入口）和一個位於安瓿瓶頂部的出口。氮氣/氬氣等惰性載氣通過管子在液體中鼓泡，並經由出口導向反應器下游。由於液體蒸發動力學相對較快，流出的載氣幾乎被前驅體蒸氣飽和。反應器的蒸氣供應可以通過調節載氣流量、前驅體溫度來調節，如果需要，還可以在管路下游進一步稀釋。必須確保鼓泡器下游的連接處保持足夠高的溫度，以避免前驅體冷凝。該設置也可用於空間反應器，這類反應器需要極高、穩定且恆定的前驅體蒸氣供應。

在常規反應器中，保持室（hold cells）也可用作前驅體蒸氣的臨時儲槽。在這樣的裝置中，初始時先將保持室抽空，然後向其開啟前驅體源並允許其充滿前驅體蒸氣。隨後切斷保持室與前驅體源的連接。根據反應器壓力，保持室隨後可能會通入惰性氣體加壓。最後，向反應器開啟保持室並輸送前驅體。這種保持室填充和排空的循環可以與ALD循環同步。該裝置不適用於需要連續蒸氣供應的空間反應器。

#### 固體前驅體

固體前驅體不如液體常見，但仍在使用。在半導體工業ALD中具有潛在應用的一個非常常見的固體前驅體例子是三甲基銦（TMIn）。在MLD中，一些固體共反應物（如對氨基苯酚、對苯二酚、對苯二胺）可以克服乙二醇等液體反應物面臨的雙重反應問題。它們的芳香族骨架可被認為是原因之一。從這類前驅體獲得的生長速率通常高於具有柔性骨架的前驅體。

然而，大多數固體前驅體的蒸氣壓較低且蒸發動力學緩慢。

對於時間脈衝裝置，前驅體通常裝填在加熱舟中，其上方蒸氣由載氣帶入反應器。然而，緩慢的蒸發動力學使得難以輸送平衡蒸氣壓。為了確保載氣被前驅體蒸氣最大限度地飽和，載氣與前驅體之間需要保持充分且長時間的接觸。雖然通常用於液體的簡單浸沒管鼓泡器也可用於此目的，但此類裝置輸送蒸氣的一致性易受前驅體蒸發/升華冷卻、前驅體結塊、載氣溝流、前驅體形態變化和粒徑變化的影響。此外，高流量載氣吹過固體前驅體可能會導致細小顆粒被帶入反應器或下游過濾器，從而導致堵塞。為了避免這些問題，前驅體可以先溶解或懸浮在非揮發性惰性液體中，然後將溶液/懸浮液用於鼓泡器裝置。

除此之外，還為固體前驅體設計了一些特殊的蒸氣輸送系統，以確保在更長的持續時間和更高的載氣流量下穩定、一致地輸送前驅體蒸氣。

#### 氣體前驅體

ALD/MLD均為氣相工藝。因此，要求前驅體以氣態形式引入反應區。如果前驅體本身處於氣態物理狀態，其向反應器的輸送將變得非常直接且省事。例如，不需要加熱前驅體，從而降低了冷凝風險。然而，前驅體很少以氣態形式存在。另一方面，一些ALD共反應物是以氣態形式存在的。例子包括用於硫化物薄膜的H2S；用於氮化物薄膜的NH3；以及用於生產氧化物的O2等離子體和O3。調節這些共反應物向反應器供應的最常見且直接的方法是使用連接在源和反應器之間的質量流量控制器（MFC）。它們也可以用惰性氣體稀釋以控制其分壓。

## 薄膜表徵

隨著針對不同應用創建ALD/MLD薄膜的需求不斷增加，幾種表徵技術隨之演變。這包括基於實驗室的表徵和高效的基於同步加速器的X射線技術。

### 實驗室表徵

由於兩者遵循相似的方案，幾乎所有適用於ALD的表徵通常也適用於MLD。許多工具已被用於表徵MLD薄膜的屬性，如厚度、表面和界面粗糙度、組成和形態。生長後的MLD薄膜的厚度和粗糙度（表面和界面）至關重要，通常通過X射線反射術（XRR）進行離位表徵。與離位技術相比，原位技術提供了更簡便高效的表徵，其中光譜橢圓偏振術（SE）和石英晶體微天平（QCM）已變得非常流行，可用於測量從幾埃到幾微米、厚度控制極其精確的薄膜。

X射線光電子能譜（XPS）和X射線衍射（XRD）分別被廣泛用於深入了解薄膜的組成和結晶度，而原子力顯微鏡（AFM）和掃描電子顯微鏡（SEM）則常被用於觀察表面粗糙度和形態。由於MLD主要涉及包含有機和無機組分的雜化材料，傅里葉轉換紅外光譜（FTIR）成為了解MLD循環期間新增或移除的功能基團的重要工具，也是闡明MLD工藝每個子循環中潛在化學反應或表面反應的有力工具。

### 同步加速器表徵

同步加速器是一種異常強大的X射線源，其能量水平是實驗室環境無法達到的。它產生同步輻射，即帶電粒子進行徑向加速時發射的電磁輻射，其高功率水平能更深入地了解工藝並帶來前沿的研究產出。基於同步加速器的表徵也為理解基礎化學以及開發關於MLD工藝及其潛在應用的知識提供了潛在機會。原位X射線螢光（XRF）和掠入射小角X射線散射（GISAXS）的結合已被證明是研究ALD工藝過程中成核和生長的成功方法。儘管這種組合尚未在研究MLD工藝中得到詳細考察，但在增進對MLD或氣相浸潤（VPI）開發的雜化材料的初始成核和內部結構的理解方面具有巨大潛力。

## 潛在應用

分子級工程化雜化材料的主要應用基於其協同特性，這些特性超越了其無機和有機構建單元的單一性能。MLD沉積材料的主要應用領域包括

- 封裝：沉積具有改進機械性能（柔韌性、延展性、低脆性）的超薄、無針孔柔性塗層。有機發光二極體（OLED）上的氣體阻隔層便是其中一例。
- 電子產品：定製具有特殊機械和介電性能的材料，例如需要特定絕緣體的先進積體電路或具有高k柵極電介質的柔性薄膜電晶體。此外還包括利用特定熱電設備將廢熱回收為電能。
- 生物醫學：增強細胞生長或提高粘附力，亦或是相反地生成具有抗菌性能的材料。這些材料可用於傳感、診斷或藥物遞送等研究領域。

由於形成無機和有機網路所需的製備條件不同，在分子尺度上結合無機和有機構建單元已被證明具有挑戰性。目前的路線通常基於溶液化學（如溶膠-凝膠合成結合旋塗、浸塗或噴塗），MLD則是其替代方案。

### MLD用於介電材料

#### 低k

介質的介電常數（k）定義為有無介質時電容器電容的比值。如今，納米級器件中由金屬互連電阻和介電層引起的延遲、串擾和功耗已成為限制器件性能的主要因素。隨著電子器件進一步微型化，互連電阻電容（RC）延遲可能主導整體器件速度。為了解決這一問題，目前的工作重點是通過結合無機和有機材料來最小化材料的介電常數，從而利用降低的電容縮小金屬線之間的間距，進而減少器件中的金屬層數。在這類材料中，有機部分必須堅硬且耐用，通常為此使用金屬氧化物和氟化物。然而，由於這些材料較脆，還會添加有機聚合物，從而賦予雜化材料低介電常數、良好的間隙填充能力、高平整度、低殘餘應力和低熱導率。目前的研究正投入巨大努力，旨在利用MLD製備k值小於3的低k材料。

#### 高k

新型有機薄膜電晶體需要高性能的絕緣層，該層應具備極薄且高k值的特性。MLD這種技術通過改變有機和無機組分的含量及比例，使調整高k值和介電強度成為可能。此外，使用MLD還能在柔韌性方面獲得更好的機械性能。

目前已開發出多種雜化電介質：由叔丁醇鋯（ZTB）和乙二醇（EG）製成的鋯烴氧化物（zircone）雜化材料；基於Al2O3的雜化材料（如自組裝MLD沉積的辛烯基三氯矽烷（OTS）層和Al2O3連接體）。此外，由TiCl4和富馬酸製成的介電鈦基雜化材料已證明其在電荷存儲電容器中的應用潛力。

### MLD用於多孔材料

MLD這種方法在沉積多孔雜化有機-無機薄膜及全有機薄膜（如金屬有機框架（MOFs）和共價有機框架（COFs））方面具有巨大潛力。由於具備確定的孔道結構和化學可調性，這些新型材料的薄膜有望集成到下一代氣體傳感器和低k電介質中。傳統上，MOFs和COFs薄膜通過溶液法生長，這對潔淨室環境有害，並可能導致現有電路腐蝕。作為一種兼容潔淨室的技術，MLD呈現出極具吸引力的替代前景，儘管目前尚未完全實現。截至目前，尚無關於直接利用MLD製備MOFs和COFs的報導。科學家們正積極開發其他無溶劑全氣相方法以實現真正的MLD工藝。

類MLD工藝的早期案例之一是所謂的「MOF-CVD」。它最初通過兩步工藝實現了ZIF-8的製備：先進行ZnO的ALD沉積，隨後暴露於2-甲基咪唑連接體蒸氣中。該方法後來被推廣至其他數種MOFs。MOF-CVD是一種單室沉積方法，所涉及的反應具有自限性，與典型的MLD工藝高度相似。

嘗試通過金屬前驅體和有機連接體的順序反應直接進行MOF的MLD通常會產生緻密且無定形的薄膜。其中一些材料在特定的氣相後處理後可作為MOF前驅體。這種兩步工藝提供了MOF-CVD之外的另一種選擇。它已在幾種原型MOFs（如IRMOF-8、MOF-5、UiO-66）中成功實現。儘管後處理步驟對於MOF結晶是必要的，但它通常需要嚴苛的條件（高溫、腐蝕性蒸氣），從而導致薄膜粗糙且不均勻。工業應用高度渴望實現零後處理或最少後處理的沉積工藝。

### MLD用於導電材料

導電且柔性的薄膜對於顯示器、可穿戴設備、光伏、個人醫療設備等眾多新興應用至關重要。例如，鋅烴氧化物雜化材料與ZnO薄膜密切相關，因此能將ZnO的導電性與有機層的柔韌性結合起來。Zincones這種材料可通過二乙基鋅（DEZ）、對苯二酚（HQ）和水沉積，生成以（−Zn-O-phenylene-O−）n形式存在的分子鏈，是一種電導體。測量結果顯示，純ZnO薄膜的電導率約為14 S/m，而MLD製備的zincone電導率約為170 S/m，這證明雜化合金的電導率得到了一個數量級以上的顯著增強。

### MLD用於能量存儲

#### 電池電極的MLD塗層

MLD在電池領域的主要應用之一是用雜化（有機-無機）塗層包覆電池電極。這些塗層在防止電極發生主要降解的同時不會破裂。與純無機材料相比，這些塗層更具柔韌性，因此能夠應對電池電極在充放電過程中發生的體積膨脹。

- 陽極上的MLD塗層：由於理論容量極高（4200 mAh/g），在電池中應用矽陽極備受關注。然而，鋰化和去鋰化過程中巨大的體積變化會導致矽陽極降解。由於具備高柔韌性和韌性，鋁烴氧化物（AL-GL、AL-HQ）等MLD薄膜塗層可用作矽的緩衝矩陣，從而緩解矽陽極的體積膨脹，顯著提高循環性能。
- 陰極上的MLD塗層：鋰硫電池因其高能量密度而在電動汽車（EVs）和混合動力電動汽車（HEVs）等應用中極具前景。然而，陰極多硫化物的溶解會導致電池性能受損，循環壽命較短。這一事實及其巨大的體積膨脹是導致電化學性能較差的主要因素。硫陰極上的鋁烴氧化物（AL-EG）塗層已成功用於解決這些問題。

### MLD用於熱電材料

ALD/MLD這種具有高精度和高可控性的薄膜沉積技術，為生產優質的雜化無機-有機超晶格結構提供了機會。在熱電材料的無機晶格內添加有機阻隔層可提高熱電效率。上述現象歸因於有機阻隔層對聲子的淬滅效應。因此，主要負責晶格電傳輸的電子可以基本完好地穿過有機層，而負責熱傳輸的聲子則會在一定程度上受到抑制，從而使所得薄膜具有更高的熱電效率。

#### 實踐展望

據信，阻隔層與其他提高熱電效率的方法相結合，有助於生產無毒、柔性、廉價且穩定的熱電模塊。一種典型案例是地殼豐度較高元素的氧化物。與其它熱電材料相比，這些氧化物由於熱導率較高，熱電性較低。因此，通過ALD/MLD手段添加阻隔層是克服氧化物這一負面特性的優良方法。

### MLD用於生物醫學應用

#### 生物活性及生物相容性表面

MLD這種技術也可用於設計生物活性和生物相容性表面，以實現針對性的細胞和組織反應。生物活性材料涉及再生醫學、組織工程（組織支架）、生物傳感器等。影響細胞-表面相互作用及系統免疫反應的重要因素包括表面化學（如官能團、表面電荷和潤濕性）和表面形貌。了解這些性質對於控制細胞的附著與增殖以及表面的生物活性至關重要。此外，在形成生物活性表面的過程中，有機構建單元的選擇和生物分子（如蛋白質、肽或多糖）的類型是決定表面細胞反應的關鍵因素。MLD通過將此類有機分子與鈦等無機生物相容性元素結合，能夠構建精確的生物活性結構。MLD在生物醫學領域的應用尚未得到廣泛研究，是一個極具前景的研究領域。該方法能夠實現表面改性，進而實現表面功能化。

2017年發表的一項研究利用MLD，通過將鈦簇與甘氨酸、L-天冬氨酸和L-精氨酸等胺基酸作為有機連接體結合，創建了生物活性支架，從而增強了大鼠結膜杯狀細胞的增殖。這類新型有機-無機雜化材料被稱為鈦酸胺基酸酯（titaminates）。此外，包含鈦和胸腺嘧啶、尿嘧啶、腺嘌呤等初級核鹼基的生物活性雜化材料顯示出極高（>85%）的細胞活力，在組織工程領域具有潛在應用。

#### 抗菌表面

由細菌、病毒、寄生蟲或真菌等病原微生物引起的醫院獲得性感染是現代醫療保健中的重大問題。大量此類微生物已進化出阻止流行抗菌劑（如抗生素和抗病毒藥物）發揮作用的能力。為了克服日益嚴重的抗菌素耐藥性問題，開發病原體無法產生耐藥性的替代性有效抗菌技術已變得十分必要。

一種可能的方法是在醫療設備表面覆蓋抗菌劑（如光敏有機分子）。在一種被稱為抗菌光動力失活（aPDI）的方法中，光敏有機分子利用光能形成高活性氧物質，這些物質會氧化生物分子（如蛋白質、脂質和核酸），進而導致病原體死亡。此外，aPDI可以局部治療感染區域，這對於牙種植體等小型醫療設備是一項優勢。MLD這種技術適用於將芳香族酸等光敏有機分子與生物相容性金屬簇（如鋯或鈦）結合，從而創建厚度受控且精確的光激活抗菌塗層。近期研究表明，基於2,6-萘二甲酸和Zr-O簇的MLD製備表面在UV-A照射下成功用於對抗糞腸球菌。

## 優勢與局限

### 優勢

分子層沉積的主要優勢在於其緩慢、循環的方法。雖然其他技術能在更短時間內產生更厚的薄膜，但分子層沉積以埃級精度的厚度控制而聞名。此外，其循環方法賦予薄膜優異的保形性，使其適用於複雜形狀表面的塗層。利用MLD也可以生長由不同材料組成的多層膜，並且可以根據研究需求輕鬆控制並定製有機/無機雜化薄膜的比例。

### 局限

與前述情況類似，分子層沉積的主要缺點也與其緩慢、循環的方法有關。由於兩種前驅體在每個循環中按順序脈衝，且每次都需要達到飽和，因此獲得足夠厚的薄膜所需時間動輒數小時乃至數天。此外，在沉積所需薄膜之前，始終需要測試並優化各項參數，以期獲得成功的實驗結果。

此外，與通過MLD沉積的雜化薄膜相關的另一個問題是其穩定性。有機/無機雜化薄膜在H2O中可能會降解或收縮。然而，這可用於促進薄膜的化學轉化。改進MLD表面化學性質可為提高雜化薄膜的穩定性和機械強度提供解決方案。

在成本方面，常規分子層沉積設備的成本可能在200,000美元到800,000美元之間。此外，還需考慮所用前驅體的成本。

與原子層沉積的情況類似，適合分子層沉積的前驅體面臨著相當嚴格的化學限制。

MLD前驅體必須具備：

- 足夠的揮發性
- 劇烈且完全的反應
- 熱穩定性
- 不蝕刻薄膜或基底材料
- 足夠的純度

此外，理想的前驅體應具備以下特徵：

- 氣體或高揮發性液體
- 高GPC
- 無反應性、揮發性的副產物
- 廉價
- 易於合成和處理
- 低毒性或無毒
- 環境友好