Ученые новосибирска вырастили пленки нитрида алюминия

ТОП — Новости мира, инновации

Nature Materials: Ученые создали материал для стимуляции нервной ткани

Разработана новая модель происхождения драгоценных металлов в мантии Земли

Communications Biology: Гены неандертальцев несут боль современным людям

Neuron: Найден новый механизм развития синдрома хрупкой Х-хромосомы

Как выглядит работающий рекламный баннер

На архипелаге Флорида-Кис открыли улиток ярко-лимонного цвета

Датировки человеческих следов в Уайт-Сэндс были точными

Ученые предлагают новый подход к сохранению Большого Барьерного рифа

Дети, не испытавшие дефицита родительской любви, становятся добрыми взрослыми

Новый препарат лишает питания раковые клетки поджелудочной железы

Current Biology: футбольные вратари обладают уникальным восприятием мира

Упасть не беда, беда не подняться: шмели нашли средство против азиатских шершней

Разработан безотходный и масштабируемый процесс для переработки полиэфиров

А не вырубить ли нам все дубы на планете?

Создан браслет, отслеживающий перепады настроения при биполярном расстройстве

Примечания и ссылки

1. Thieme Chemistry, RÖMPP Online: Version 3.5 , Stuttgart, Georg Thieme Verlag KG,2009 г.
2. рассчитывается молекулярная масса от .
3. ↑ и Лист Sigma-Aldrich соединения , консультация 8 января 2019 г.
4. .
5. ↑ и (ru) Хью О. Пирсон, Справочник по тугоплавким карбидам и нитридам: свойства, характеристики, обработка и применение , Уильям Эндрю, 1996 г., стр.  193 . ( ISBN  978-0-8155-1392-6 )
6. (in) Д. С. Стоун К. Б. Йодер и В. Д. Спроул , Твердость и модуль упругости TiN основаны на непрерывном техническом вдавливании и новой корреляции , Journal of Vacuum Science & Technology A , Vol.  9, п о  4,
   Июль 1991 г., стр.  2543-2547
7. (in) ТОТ карбиды и нитриды переходных металлов , Academic Press, Нью-Йорк, 1971 г. ( ISBN  978-0-12-695950-5 )
8. (in) В. Шпенглер, Р. Кайзер, Н. А. Кристенсен и Г. Мюллер-Фогт , Рамановское рассеяние, сверхпроводимость и фононная плотность состояний стехиометрического и нестехиометрического TiN , Physical Review B , Vol.  17, п о  3,
   Февраль 1978 г., стр.  1095-1101
9. (in) Валерий Винокур Г-н Татьяна Батурина I. Михаил В. Фистул, Алексей Ю. Миронов, Михаил Бакланов Р. и Кристоф Странк , Суперизолятор и квантовая синхронизация , Природа , т.  452, п о  7187,
   3 апреля 2008 г., стр.  613-615
10. (in) Хью О. Пирсон, Справочник по тугоплавким карбидам и нитридам: свойства, характеристики, обработка и применение , Уильям Эндрю
    1996 г., 340  с. , стр.  193
11. (in) М. Мейяппан, Д. Д. Эконому, С. Уоттс Батлер, Труды симпозиума: управление процессами, диагностика и моделирование в производстве полупроводников , Электрохимическое общество, 1995, с.  399 кв. . ( ISBN  978-1-56677-096-5 )
12. (Де) Бенедикт Мартин, Herstellung und Charakterisierung gesputterter TiN-Schichten auf Kupferwerkstoffen , Экс-ла-Шапель, Шейкер, колл.  «Berichte aus der Fertigungstechnik»,
    1994 г., 134  с. ( ISBN  3-86111-950-1 )оригинал: диссертация Штутгартского университета (1994)
13. (in) Кейдзо Уэмацу, Нобуо Киеда Осаму Сакураи и Нобуясу Мизутани Масанори Като , Влияние нестехиометрии на спекание TiN _x
     ” , Журнал керамической ассоциации, Япония , т.  90, п о  1046,1982 г., стр.  597-603
14. (in) Г. Абадиас , Напряжение и предпочтительная ориентация в PVD-покрытиях на основе нитрида , Surface and Coatings Technology , Vol.  202, п о  11,
    25 февраля 2008 г., стр.  2223-2235
15. (ru) М. Биркхольц, К.-Э. Эвальд, Д. Волански, И. Костина, К. Баристиран-Кайнак, М. Фрёлих, Х. Бейер, А. Капп и Ф. Лисдат , Коррозионно-стойкие металлические слои из процесса КМОП для биоэлектронных приложений , Поверхность и покрытия Технология , т.  204, п ос  12-13,
    15 марта 2010 г., стр.  2055-2059
16. (in) Хьюго Хэммерле, Карин Кобуч, Конрад Колер, Ниш Вильфрид Гельмут Сакс и Мартин Стелзле , Биостабильность матриц микрофотодиодов для субретинального имплантата , Биоматериалы , т.  23, п о  3,
    Февраль 2002 г., стр.  797-804
17. (in) Г-н Биркхольц, К.-Э. Эвальд, П. Кулсе, Дж. Дрюс, М. Фрёлих, У. Хаак, М. Кайнак, Э. Маттус, К. Шульц и Д. Волански , Ультратонкие TiN-мембраны как технологическая платформа для CMOS — интегрированных устройств MEMS и BioMEMS.  ” , Современные функциональные материалы , т.  21, п о  9,
    10 мая 2011 г., стр.  1652-1656
18. (in) Таддеус Дж. Дзиура Бенджамин Бундай, Кейси Смит, Мухаммад Хуссейн, Расти Харрис, Сяфанг Джимми Чжан и г-н Прайс , Измерение толщины high-k и металла с помощью рефлектометрии боковых стенок FinFET пленки , Metrology Inspection и Контроль процесса для микролитографии XXII. Под редакцией Джона А. Аллгэра, Кристофера Дж. Реймонда, Proceedings of the SPIE , vol.  6922, г.
    Март 2008 г.Статья п о  69220V
19. (in) Матеус А. Тюнз, Фелипе К. да Силва, Осман Камара Клаудио Г. Шен, Хулио К. саги, Луис К. Фонтана, Стивен Э. Доннелли, Грэм Гривз и Филип Д. Эдмондсон , Исследование облучения энергией покрытий TiN: подходят ли эти пленки для аварийного топлива?  ” , Журнал ядерных материалов , т.  512,
    15 декабря 2018 г., стр.  239-245
20. (in) Эдже Алат, Артур Т. Моттаа, Роберт Дж. Комсток, Джонна М. Партезана и Дуглас Э. Вульф , Многослойные (TiN, TiAlN) керамические покрытия для оболочки ядерного топлива , Journal of Nuclear Materials , вып.  478, г.
    сентябрь 2016, стр.  236-244

Характеристики

Покрытие сверла из быстрорежущей стали TiN.

Физические свойства

Нитрид титана имеет твердость по Виккерсу от 1800 до 2100, а модуль упругости от 251  ГПа , в коэффициент теплового расширения от 9,35 × 10 -6  K -1 и сверхпроводящий температура перехода от 5,6  К . Она также имеет теплопроводность от 29,1  Вт · м -1 · К -1 , А постоянная Холла 0,67, A магнитной восприимчивости от + 0,8 и электрическое удельное сопротивление от 20 мкОм · см .
 

В нормальной атмосфере, из нитрида титана окисляется при 800  ° C . Лабораторные испытания показывают, что он химически стабилен при 20  ° C, но его можно постепенно разрушить концентрированными растворами кислоты при повышении температуры. Коэффициент трения без смазки между двумя поверхностями нитридом титана составляет от 0,4 до 0,9 в зависимости от природы и отделки этих поверхностей.

Нитрид титана имеет кристаллическую структуру , подобную хлорида натрия , в котором атомы из титана образуют сеть -centered кубической , атомы азота , занимающие интерстициальные октаэдрические в структуре. Стехиометрии материала составляет около 1: 1, но с титановыми _х веществамис x от 0,6 до 1,2 термодинамически стабильны.

В отличие от неметаллических твердых тел, таких как алмаз , карбид бора B ₄ Cили карбид кремния SiC, нитрид титана проявляет металлическое поведение. Это, например, проводник из электричества . Коэффициент тепловой из электрического сопротивления является положительным , и его магнитное поведение обозначаются слабым термореактивным парамагнетизму .

Монокристалл нитрида титана становится сверхпроводящим ниже критической температуры 6.0  K . Сверхпроводимости тонких пленок нитрида титана были подробно изучены и показали , что сверхпроводящие свойства этого материала значительно варьируются в зависимости от подготовки образцов. Тонкий слой нитрида титана, охлажденный до абсолютного нуля, позволил наблюдать один из первых супраизоляторов , электрическое сопротивление которого внезапно увеличилось в 100000 раз по сравнению с материалом при более высокой температуре.

Температура плавления нитрида титана составляет порядка 2930  ° C, и жидкость разлагается при нагревании до достижения точки кипения . Твердое тело имеет хорошие трибологические характеристики и поэтому представляет интерес для систем, требующих хорошей износостойкости . Аффинность для других веществ очень низка. Нитрид титана хорошо отражает инфракрасное излучение , а его спектр отражения идентичен спектру отражения золота .

Путь легирования с аморфным кремнием , механическими свойствами изменения нитрида титана радикально: он становится хрупким и сложнее.

Замечательные физические свойства этого материала уравновешиваются его хрупкостью , что приводит к его использованию в основном в качестве пленки покрытия.

Химические свойства

Нитрид титана практически химически инертен при комнатной температуре. Он проявляет первые признаки атаки только при температурах выше 600  ° C на воздухе и действительно окисляется только в атмосфере, насыщенной кислородом O _2.или диоксид углерода CO ₂более чем 1200  ° С . В нагретой ванне гидроксида натрия NaOH он диссоциирует с выделением аммиака NH _3.. Морозоустойчив к соляной кислоте HCl, серной кислоте H ₂ SO _4., с азотной кислотой HNO ₃и плавиковой кислоты HF, а также гидроксида натрия и даже водяного пара H ₂ Oнагревается до 100  ° C , но подвергается воздействию этих горячих концентрированных кислот. Он остается стабильным в присутствии расплавленных химически активных металлов.

Внешние ссылки

• (de) Эта статья частично или полностью взята из статьи в Википедии на немецком языке под названием .
• Авторитетные записи  :

Использует

Пуансоны с покрытием из нитрида титана.

Вставка резьбонарезного инструмента покрыта пленкой нитрида титана.

Покрытия из нитрида титана используются для ограничения износа кромок и поверхностной коррозии режущих инструментов, таких как сверла , пуансоны и фрезерные станки , особенно деталей из быстрорежущей стали или огнестрельного оружия , при этом срок службы может быть увеличен втрое или даже больше. Эти золотые покрытия очень тонкие и редко превышают 4  мкм в толщину, а более толстые слои имеют тенденцию к растрескиванию. Металл с покрытием должен быть достаточно твердым , то есть иметь высокую прочность на сжатие, чтобы штамповка не пробила покрытие.

Нитрид титана является как биосовместимым и био-стабильным, так что используется на хирургических инструментов и протезов , включая имплантаты на бедре или в качестве электродов для кардиостимуляторов . В более общем плане он используется в электродах для биоэлектронных приложений, таких как интеллектуальные имплантаты или биосенсоры in vivo, которые должны противостоять сильной коррозии, вызываемой жидкостями организма . Электроды из нитрида титана уже используются для визуальных протезов  (en), а также для биомедицинских микроэлектромеханических систем ( Bio-MEMS  (en) ).

Из-за его нетоксичности и золотистого цвета нитрид титана часто используется для покрытия предметов повседневного обихода, находящихся в непосредственном контакте с телом или продуктами питания, таких как бижутерия, оправы для очков, часы, браслеты, кухонная утварь и даже автомобильная фурнитура, в декоративных целях. целей. Он также используется в качестве поверхностного покрытия, обычно на поверхностях, покрытых никелем или хромом , на сантехнических деталях или дверной фурнитуре.

Хотя при таком использовании они менее заметны, тонкие пленки нитрида титана также используются в микроэлектронике , где они служат проводящими связями между активными слоями и металлическими контактами, играя роль диффузионного барьера между металлом и кремнием. В этом контексте нитрид титана классифицируется как «барьерный металл», хотя с химической точки зрения и механических свойств он явно является керамикой. В новейшей технологии проектирования микросхем 45  нм и ниже также используется нитрид титана в качестве «металла» для улучшения характеристик транзисторов . В сочетании с диэлектриками с высоким κ, такими как HfSiO, которые имеют более высокую диэлектрическую проницаемость, чем диоксид кремния SiO ₂ Стандартно, длина затвора может быть уменьшена за счет низкой утечки, более высокого тока возбуждения и того же или более высокого порогового напряжения.

Нитрид титана также является предметом более специфического использования. Например, тонкие пленки нитрида титана исследуются в качестве покрытия отказоустойчивых сплавов циркония ядерного топлива. Твердость, износостойкость и высокая рассеивающая способность нитрида титана делают его предпочтительным материалом для изготовления подшипников прецизионных машин и роторов. Его антипригарные свойства позволяют использовать его в качестве защитного покрытия при высоких температурах. Его низкий коэффициент трения используется в качестве покрытия оси в амортизаторах, а также в промышленной гидравлике . Его очень высокая стабильность при высоких температурах позволяет производить спекание в порошковой металлургии . Он может быть использован в качестве добавки для повышения электропроводности из керамики в машинах.

Производство

Нитрид титана обычно получают в виде пленок микрометрической толщины , реже в виде керамики или порошка . Его можно изготавливать из обоих элементов при температурах выше 1200  ° C , принимая меры по удалению кислорода из воздуха и водорода , что отрицательно сказывается на промышленной эксплуатации. Этот процесс прямого азотирования титана представлен следующим уравнением:

2 Ti + N ₂ ⟶ 2 ТиН.

Другой способ нитрида титана производят является фазой аммонолиза газа при температурах выше 900  ° C . Этот процесс уменьшает степень окисления из титана , присутствующего в тетрахлорид титана TiCl _4.от +4 до +3, что позволяет связать его в нитриде титана; электрон отдаваемое в атмосфере азота в аммиак NH ₃. Как и в случае прямого азотирования титана, снова необходимо удалить кислород и водород из реакционной среды. Газофазный аммонолиз можно описать следующим уравнением:

4 TiCl ₄+ 6 NH ₃⟶ 4 TiN + 16 HCl + N ₂+ H ₂.

Избыток аммиака дает хлорид аммония NH ₄ Cl..

Формирование тонких слоев

Пленки нитрида титана с возрастающей концентрацией азота слева направо.

Азотирование прямой из титана может быть осуществлено в ванне ( расплавленной соли ) от цианистого водорода ( цианистый калий KCN / карбонат калия К ₂ СО ₃). Обычными процессами здесь являются цементация поверхности в цианидной ванне (процесс TIDURAN), азотирование под высоким давлением (процесс TIDUNIT) и плазменное азотирование в атмосфере водорода и азота. Нитридная пленка обычно имеет связующий слой толщиной 10  мкм и диффузионный слой толщиной от 50 до 200  мкм . Плазменным азотированием можно получить пленку без связующего слоя.

Синтез тонких пленок нитрида титана из тетрахлорида титана TiCl _4.и азот N ₂в водородной плазме описывается следующим химическим уравнением:

2 TiCl ₄+ 4 Ч ₂+ N ₂⟶ 2 TiN + 8 HCl .

Тонкие пленки нитрида титана, проявляющие полупроводниковые свойства на диоксиде кремния SiO ₂, может быть образован химическим осаждением из паровой фазы ( CVD ) тетракис (диметиламино) титана (TDMAT) формулы Ti [N (CH ₃ ) ₂ ] ₄.

Покрытие металлов и некоторых полимеров тонкими пленками нитрида титана возможно главным образом путем физического осаждения из паровой фазы ( PVD ), например, распылением . Именно в последнем случае бомбардировать катод в титана с помощью ионов из благородного газа ( аргона ), который имеет эффект фиксации атом титана и азота напыленного на подложку. Концентрация азота в атмосфере определяет его конечную концентрацию в нанесенной пленке. Возможно получение чистого титана Ti ₂ Nи TiN в зависимости от выбранного содержания азота. Физические свойства полученного материала также зависят от их стехиометрии  : цвет имеет тенденцию больше к коричневому и бронзовому, в то время как твердость вдвое меньше для сверхстехиометрических составов.

Физическое осаждение из паровой фазы является предпочтительным методом для стальных деталей, поскольку температура реакции выше, чем температура аустенитизации стали. Его также можно использовать для обработки различных материалов с более высокой температурой плавления , таких как нержавеющая сталь , титан и титановые сплавы . Его высокий модуль Юнга — значения от 450 до 590  ГПа, о которых сообщалось в литературе — означает, что толстые слои имеют тенденцию к отслаиванию, что делает их менее прочными, чем тонкие слои.

Производство твердого нитрида титана

Получить твердую керамику из нитрида титана сложнее, поскольку высокая ковалентность чистого нитрида титана приводит к снижению спекаемости . Вот почему необходимо концентрировать нитрид титана, прибегать к химически активным порошкам и прикладывать значительное внешнее давление для выполнения формования . Без достаточного давления окружающей среды полученная керамика не будет иметь теоретической плотности среди других дефектов. Однако существует процесс, заключающийся в использовании очень тонкого порошка (называемого нанопорошком ), который позволяет избежать использования высоких давлений.