БГТУ им. В. Г. Шухова (кафедра Технологии стекла и керамики, аспирант)
Шебекинский р-н, Белгородская область, Россия
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.
покрытия на стекле, оксид титана, анатаз, рутил, магнетронное осаждение, вакуумный фотонный отжиг
ВВЕДЕНИЕ
Покрытия 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 ИССЛЕДОВАНИЯ
Выявить влияние доли кислорода не структуру и фазовый состав покрытий TiOx полученных методом магнетронного распыления.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В 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).
1. Diebold U., The surface science of titanium dioxide // Surface Science Reports. 2003. V. 43. P. 53-229.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. Mráz S., Schneider J.M. Structure evolution of magnetron sputtered TiO2 thin films // Journal of Applied Physics. 2011. V. 109, id 023512. 6 p.
8. 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.
9. 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.
10. 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.
11. 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.
12. 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.
13. Baroch P., Musil J., Vlcek J. Reactive magnetron sputtering of TiOx films // Surface and Coatings Technology. 2005. Vol. 193. P. 107-111.
14. 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.
15. 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.
