Actual directions of scientific researches of the XXI century: theory and practiceActual directions of scientific researches of the XXI century: theory and practiceАктуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика2308-88774155210.34220/2308-8877-2020-8-2-40-46Физические и математические наукиФизические и математические наукиSTUDIES OF THE INFLUENCE OF THEИССЛЕДОВАНИЯ ЗАВИСИМОСТИ ВЛИЯНИЯ ДОЛИ О2 НА ПОКРЫТИЯ TiOх ПОЛУЧЕННЫЕ МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯВащилинВ.С. VaschilinV.S. КривоножкоЕгор ВладимировичKrivonozhkoEgor Vladimirovichkev1_96@mail.ruБелгородский государственный технологический университет им В.Г. ШуховаBelgorod State Technological University named after V.G. ShukhovБелгородский государственный технологический университет им. В.Г. ШуховаRUBelgorod State Technological University named after V.G. ShukhovRUБГТУ им. В. Г. ШуховаБелгородРоссияBSTU named after V. G. ShukhovBelgorodRussian Federation824046https://zh-szf.ru/en/nauka/article/41552/view
Получены покрытия TiOх методом магнетронного распыления на стеклянную подложку, с последующим вакуумным фотонным отжигом модифицирующим покрытия. Абсолютно все полученные в процессе магнетронного напыления образцы содержали в своём составе нестехиометрические фазы, причём разным концентрациям O2 в плазме соответствовали, в целом, различные нестехиометрические оксиды, что может говорить о предпочтительном образовании различных фаз TiO2 через различные нестехиометрические фазы. Показано, что с увеличением концентрации кислорода в плазме магнетрона структура покрытий переходит от аморфной к анатазно-рутильной (с преобладанием анатаза). Проведены рентгеновские исследования полученных образцов покрытий устанавливающих роль кислорода в процессе кристаллизации TiOx-покрытий, влияние вакуумного фотонного отжига на формирование фазы анатаза. Установлено что термообработка фотонным вакуумным отжигом при достаточно низких значениях температур (350 °C) способствует перекристаллизации всех присутствующих в покрытии фаз в анатазную.
TiOх coatings are obtained by magnetron sputtering on a glass substrate, followed by vacuum photonic annealing to modify the coatings. Absolutely all samples obtained in the process of magnetron sputtering contained nonstoichiometric phases in their composition, and different O2 concentrations in plasma corresponded, in general, to different nonstoichiometric oxides, which may indicate the preferable formation of different TiO2 phases through different nonstoichiometric phases. It has been shown that with an increase in the oxygen concentration in the magnetron plasma, the structure of the coatings changes from amorphous to anatase-rutile (with a predominance of anatase). X-ray studies of the obtained samples of coatings have been carried out, which establish the role of oxygen in the crystallization of TiOx coatings, the effect of vacuum photon annealing on the formation of the anatase phase. It has been established that thermal treatment by photonic vacuum annealing at sufficiently low temperatures (350 ° C) promotes the recrystallization of all phases present in the coating into anatase phase.
ВВЕДЕНИЕПокрытия из оксидов титана применяются в оптическом приборостроении из-за их высокого показателя преломления (n= 2,6-2,9), что в сочетании с повышенной твердостью и химической стойкостью делают это покрытие востребованным в промышленности[1]. TiOx-покрытия входят в составы светокорректирующих слоев на оконных стеклах, упрочняющих покрытий на стеклянной таре [2] и являются основой самоочищающихся покрытий [1] на различных изделиях. Кроме того, покрытия из диоксида титана на имплантатах способствуют их срастанию с живой костной тканью [3].Микроэлектроника также проявляет интерес к тонкопленочному оксиду титана, как к хемосенсорной системе [4] и как к перспективному материалу для устройств хранения информации [5]. В промышленности для использования покрытий из оксида титана огромную роль играет их структурно-фазовое состояние, которое зависит от метода нанесения и параметров процесса. Среди многочисленных способов осаждения TiOx-покрытий [6] выделяется метод реактивного магнетронного напыления, преимуществами которого являются: 1) возможность получать плотные покрытия, 2) возможность получения покрытия равной толщины на большой площади нанесения, 3) возможность варьировать структуру и фазовый состав покрытия без существенного изменения скорости напыления и нагрева подложки. При этом в большинстве работ, например, [7-12], связывающих технологические параметры магнетронного осаждения с фазовым составом TiOx-покрытий, не указывается на роль кислорода в процессе кристаллизации покрытия. Можно отметить статьи [13] и [14], в которых обнаруживается появление максимума кристалличности покрытий при определенных долях О2 в плазме. Однако причины этого явления авторами не указаны [15]. ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯВыявить влияние доли кислорода не структуру и фазовый состав покрытий TiOx полученных методом магнетронного распыления.МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯВ качестве подложек, на которые осаждались TiOx-покрытия, использовались предметные стекла «МиниМед» с размерами 76×25×1 мм. Подложки перед нанесением покрытий очищались посредством выдержки длительностью 4 сут. в концентрированном растворе хромовой смеси. После чего уже от самой хромовой смеси потенциальные подложки подвергалась двукратной очистке в дистиллированной воде. Остатки дистиллированной воды удалялись с поверхности потоком сжатого воздуха. Непосредственно перед нанесением покрытия производилась очистка подложек в вакууме от следовых количеств органических загрязнений бомбардировкой ионами аргона в течение 15 мин на установке UniCoat 200 (напряжение разряда 2100 В, ток разряда 150 мА, давление 0,09 Па, поток аргона 26 – 29 sccm).
Diebold U., The surface science of titanium dioxide // Surface Science Reports. 2003. V. 43. P. 53-229.Diebold U., The surface science of titanium dioxide // Surface Science Reports. 2003. V. 43. P. 53-229.Минько Н. И. Прочность и методы упрочнения стекла: монография / Н. И. Минько, В. М. Нарцев. - 2-e изд. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В. Г. Шухова, 2014. - 152 с.Min'ko N. I. Prochnost' i metody uprochneniya stekla: monografiya / N. I. Min'ko, V. M. Narcev. - 2-e izd. - Belgorod: Izd-vo BGTU im. V. G. Shuhova, 2014. - 152 s.López-Huerta F., Cervantes B., González O. Biocompatibility and surface properties of TiO2 thin films deposited by DC magnetron sputtering // Materials. 2014. N 7. P. 4105-4117.López-Huerta F., Cervantes B., González O. Biocompatibility and surface properties of TiO2 thin films deposited by DC magnetron sputtering // Materials. 2014. N 7. P. 4105-4117.Yordanov R., Boyadjiev S., Georgieva V. Сharacterization of rf and dc magnetron reactive sputtered TiO2 thin films for gas sensors // Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures. 2014. V. 9. N 2. P. 467-474.Yordanov R., Boyadjiev S., Georgieva V. Sharacterization of rf and dc magnetron reactive sputtered TiO2 thin films for gas sensors // Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures. 2014. V. 9. N 2. P. 467-474.Kwak J. S., Do Y. H., Lee J. H. Resistive switching properties of a polycrystalline TiO2 memory cell with a tungsten nitride (WN) buffer layer inserted // Journal of the Korean Physical Society. 2008. V. 53. N 6. P. 3685-3689.Kwak J. S., Do Y. H., Lee J. H. Resistive switching properties of a polycrystalline TiO2 memory cell with a tungsten nitride (WN) buffer layer inserted // Journal of the Korean Physical Society. 2008. V. 53. N 6. P. 3685-3689.Zhou W., Zhong X., Wu X. Structural and optical properties of titanium oxide thin films deposited on unheated substrate at different total pressures by reactive dc magnetron sputtering with a substrate bias // Journal of the Korean Physical Society. 2006. V. 49. N 5. P. 2168-2175.Zhou W., Zhong X., Wu X. Structural and optical properties of titanium oxide thin films deposited on unheated substrate at different total pressures by reactive dc magnetron sputtering with a substrate bias // Journal of the Korean Physical Society. 2006. V. 49. N 5. P. 2168-2175.Mráz S., Schneider J.M. Structure evolution of magnetron sputtered TiO2 thin films // Journal of Applied Physics. 2011. V. 109, id 023512. 6 p.Mráz S., Schneider J.M. Structure evolution of magnetron sputtered TiO2 thin films // Journal of Applied Physics. 2011. V. 109, id 023512. 6 p.Stamate M., Lazar G., Lazar I. Anatase - rutil TiO2 thin films deposited in a D.C. magnetron sputtering system // Romanian Journal of Physics. 2008. V. 53. N 1-2. P. 217-221.Stamate M., Lazar G., Lazar I. Anatase - rutil TiO2 thin films deposited in a D.C. magnetron sputtering system // Romanian Journal of Physics. 2008. V. 53. N 1-2. P. 217-221.Suhail M. H., Mohan Rao G., Mohan S. DC reactive magnetron sputtering of titanium - structural and optical characterization of TiO2 films // Journal of Applied Physics. 1992. V. 71. P. 1421-1427.Suhail M. H., Mohan Rao G., Mohan S. DC reactive magnetron sputtering of titanium - structural and optical characterization of TiO2 films // Journal of Applied Physics. 1992. V. 71. P. 1421-1427.Boukrouh S., Bensaha R., Bourgeois S. Reactive direct current magnetron sputtered TiO2 thin films with amorphous to crystalline structures // Thin Solid Films. 2008. V. 516. P. 6353-6358.Boukrouh S., Bensaha R., Bourgeois S. Reactive direct current magnetron sputtered TiO2 thin films with amorphous to crystalline structures // Thin Solid Films. 2008. V. 516. P. 6353-6358.Mukherjee S.K., Nebatti A., Mohtascham F. Influence of thickness on the structural properties of radio-frequency and direct-current magnetron sputtered TiO2 anatase thin films // Thin Solid Films. 2014. Vol. 558. P. 443-448.Mukherjee S.K., Nebatti A., Mohtascham F. Influence of thickness on the structural properties of radio-frequency and direct-current magnetron sputtered TiO2 anatase thin films // Thin Solid Films. 2014. Vol. 558. P. 443-448.Zhang C., Ding W., Wang H. Influences of working pressure on properties for TiO2 films deposited by DC pulse magnetron sputtering // Journal of Environmental Sciences. 2009. Vol. 21. P. 741-744.Zhang C., Ding W., Wang H. Influences of working pressure on properties for TiO2 films deposited by DC pulse magnetron sputtering // Journal of Environmental Sciences. 2009. Vol. 21. P. 741-744.Baroch P., Musil J., Vlcek J. Reactive magnetron sputtering of TiOx films // Surface and Coatings Technology. 2005. Vol. 193. P. 107-111.Baroch P., Musil J., Vlcek J. Reactive magnetron sputtering of TiOx films // Surface and Coatings Technology. 2005. Vol. 193. P. 107-111.Zhao B., Zhou J., Rong L. Microstructure and optical properties of TiO2 thin films deposited at different oxygen flow rates // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2010. V. 20. P. 1429-1433.Zhao B., Zhou J., Rong L. Microstructure and optical properties of TiO2 thin films deposited at different oxygen flow rates // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2010. V. 20. P. 1429-1433.Нарцев В. М., Аткарская А. Б., Зайцев С. В., Ващилин В. С., Прохоренков Д.С. Исследование влияния доли кислорода в плазме на фазовый состав TiOx-покрытий, осажденных магнетронным методом // Огнеупоры и техническая керамика. 2015. № 3. С 10-16.Narcev V. M., Atkarskaya A. B., Zaycev S. V., Vaschilin V. S., Prohorenkov D.S. Issledovanie vliyaniya doli kisloroda v plazme na fazovyy sostav TiOx-pokrytiy, osazhdennyh magnetronnym metodom // Ogneupory i tehnicheskaya keramika. 2015. № 3. S 10-16.