非水解溶胶-凝胶碳热还原氮化法制备TiN薄膜研究.pdf

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1、第47卷第2期江苏陶瓷Vo1．47，No．22014年04月JiangsuCeramicsApril，20149非水解溶胶一凝胶碳热还原氮化法制备TiN薄膜研究魏颖娜1,2,3魏恒勇1,2,3于云卜景龙·崔妓1,2,3米乐董功越(1河北联合大学材料科学与工程学院．河北唐山063009：2中田科学院特种无机涂层t点实验室．上海200050：3河北省无机非金属材料t点实验室．河北唐山063009；4华东理工大学材料科学与工程学院。上海200237)摘要以四氯化钛和无水乙醇为前驱体原料，按C／Ti摩尔比为

2、12：1引入聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量为1300000)作为碳源，采用非水解溶胶一凝胶碳热还原氮化技术，在流量为30ml／min高纯N2中，经1300℃碳热还原氮化5h，在石英基片上制备出具有金黄色光泽的TiN薄膜。利用XRD、RAMAN和FE—SEM表征TiN薄膜物相组成及显微结构，结果表明：薄膜为具有NaC1型面心立方结构的8一TiN晶相，薄膜中TiN晶体在其最小应变能晶面(111)择优生长，部分晶粒呈棱角分明的三棱椎状，晶界清晰，薄膜厚度在200nm左右。镀有TiN薄膜的石英基片，在可见光

3、范围内透过率峰值为13％，在近红外区域的反射率接近70％。关键词非水解溶胶一凝胶；碳热还原氮化；TiN；薄膜为此，本文以无水四氯化钛和无水乙醇为原料，引入可增0引言加薄膜膜厚并防止薄膜开裂的聚乙烯比咯烷酮(PVP，分子量氮化钛(TIN)陶瓷薄膜以其优异的耐磨、耐高温、耐腐蚀为1300000)作为碳源，采用非水解溶胶一凝胶法制备出TiO：以及优良的光学、电学及生物相容特性，广泛应用在机械、电前驱体薄膜，再在高纯N中，利用碳热还原氮化技术合成TIN子、冶金、汽车、建筑和医学等领域。TiN薄膜主要制备方法

4、有薄膜。并表征和测试薄膜的显微结构和光学性能。化学气相沉积法、物理气相沉积法、离子注入法和溶胶一凝胶还原氮化法等。1实验其中，溶胶一凝胶还原氮化法工艺简单、生产成本较低，是1．1TiN薄膜制备实验制备TiN薄膜有效的方法之一。例如。日本三重大学的实验原料包括纯度为分析纯的无水四氯化钛、无水乙醇、KanichiKamiya利用水解溶胶一凝胶法制备的TiO2薄膜，在氨聚乙烯比咯烷酮(PVP，分子量为1300000)及N，N一二甲基甲气气氛下经1000℃还原氮化5h后获得TiN薄膜。日本MKE酰胺(DMF

5、)．以及纯度为99．999％的氮气。公司的KazushigeKohno采用该技术在氨气和氮气的混合气在真空手套箱中。用量筒量取5．5ml无水乙醇放入广口氛下经1100℃还原氮化5h，在石英玻璃基片上制备出TiN瓶内，再用移液管加入0．5lIIl四氯化钛，得到四氯化钛乙醇红外反射薄膜。中科院上海硅酸盐研究所高濂研究员利用水溶液。按C／Ti摩尔比为12：1向上述溶液中加入PVP，然后加解溶胶一凝胶法在A120，基体上制备出TiO纳米晶薄膜，然后入12IIll无水乙醇及2．5IlllDMF，制得镀膜前驱液

6、。使用匀胶在氨气中经700℃还原氮化1h。制备出颗粒较均匀的纳米晶仪在石英玻璃基片上镀膜，转速为3500r／rain，镀膜20s，然后TiN薄膜。并指出该制备方法简单易行，具有极大的潜在应用于8O℃加热48h引发非水解凝胶化反应，得到Ti02凝胶前前景。驱体薄膜；将其放在管式气氛炉中，在流量为30ml／min的高然而，以上述水解溶胶一凝胶法制备的TiO：作为还原氮纯N2(99．999％)中．以5~C／rain升温至1300℃碳热还原氮化化制备TiN薄膜的前驱体。不仅所需原料价格相对较高，而且反应5h

7、，随炉冷却后得到金黄色的TiN薄膜。极易水解，需要严格控制水解速率。利用非水解溶胶一凝胶技1．2TiN薄膜结构表征及性能测试术制备TiO：薄膜工艺相对简单，采用的原料价格低廉，且无采用日本D／MAX2500PC型X射线衍射仪测定合成薄膜需水解过程，直接进行非水解聚合反应形成凝胶。尤其重要的的物相组成．测试条件为Cu—Kct辐射，扫描速度1。／min。借是，与水解溶胶一凝胶相比，采用非水解溶胶一凝胶法制备的助美国热电DXR型激光拉曼光谱仪对氮化钛薄膜进行成分TiO薄膜晶粒细小，比表面积更大，反应活性更

8、高。具有高比分析(激发波长为532nm，激发功率为5roW)。利用日本S一表面积、高反应活性的TiO：前驱体有利于还原氮化气体扩散4800型场发射扫描电子显微镜观测氮化钛薄膜形貌及膜厚。反应，可显著提高TiO：的氮化效率，从而避免使用有毒的氨采用日立公司制造的U-4100型分光光度计测定薄膜在紫外气为氮源与还原剂。可见光区和近红外光区(波长在240—2600nm范围)的透射率收稿日期：2013—11-13魏颖娜．等：非水解溶胶一凝胶碳热还原氮化法制备TiN薄膜研究学术