Синтез титан-азотных наноструктур на поверхности дисперсного оксида алюминия методом осаждения из газовой фазы

2012 ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА Сер. 4. Вып. 4

КРАТКИЕ НАУЧНЫЕ СООБЩЕНИЯ

УДК 661.183.82+54.057+54-168

А. В. Монин, Е. Г. Земцова, В. М. Смирнов

СИНТЕЗ ТИТАН-АЗОТНЫХ НАНОСТРУКТУР НА ПОВЕРХНОСТИ ДИСПЕРСНОГО ОКСИДА АЛЮМИНИЯ МЕТОДОМ ОСАЖДЕНИЯ ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ*

Введение. Модифицирование поверхности дисперсных оксидов различными химическими соединениями является важным химическим процессом в технологии создания новых материалов с улучшенными свойствами [1]. Известно, что нитрид титана выступает в качестве высокоэффективной дисперсной фазы при получении композиционных керамических материалов [2].

Данное сообщение посвящено изучению возможности получения титан-нитридных покрытий на поверхности наноразмерного порошка оксида алюминия с использованием в качестве реагента органического прекурсора тетрадиметиламидотитана (TDMAT).

Объекты исследования. В качестве дисперсного порошка был выбран гамма-оксид алюминия с размером наночастиц в диапазоне 40-80 нм, полученный по разработанной нами методике [3]. Исходным реагентом для получения титан-нитридных покрытий являлся TDMAT (квалификации ЧДА, производство Аегов, чистота 99,5 %).

Аммиак (99,9 %) использовался и в качестве реагента, и как газ-носитель для удаления газообразных продуктов реакции (диметиламина и азота).

Эксперимент. Образец нанодисперсного оксида алюминия подвергался предварительной процедуре стандартизации поверхности оксида алюминия — удалению физически сорбированной воды при температуре 120 °С в течение 5 ч в токе сухого гелия (точка росы составляет —67 °С) в проточном газовом реакторе. Одновременная обработка образца по методике осаждения из газовой фазы органическим прекурсором (TDMAT) и аммиаком при температуре 200 °С с дальнейшим удалением газообразных продуктов реакции (в течение 6 ч) и прокаливанием образца в токе аммиака при температуре 400 °С, согласно данным [4], должна была привести к получению нанопокрытия нитрида титана с минимальным содержанием углерода.

В целях последующего анализа производилось прокаливание образцов в вакуумной муфельной печи при температуре 1100 °С для осуществления фазовых превращений оксида алюминия и перевода рентгеноаморфных титан-азотных наноструктур

* Работа проведена в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2013 годы» по контракту № 16.513.11.3028.

© А. В. Монин, Е. Г. Земцова, В.М.Смирнов, 2012

в титан-нитридную форму, позволяющую идентифицировать покрытия как нитрид титана по характеристичным полосам с помощью рентгено-фазового анализа.

Оценка толщины титан-нитридных покрытий производилась с использованием метода TFOS.

Результаты. Образцы исследованы с помощью РФА (прибор «Дифрей» при Cu-Ka излучении с изогнутым координатным детектором), результаты представлены на рис. 1.

1200 1000 800 600 400 200

1

0 25

А. У

а-А^з

тач

тю,

М

30

35

40

45

50

55

60

70

75

Рис. 1. Дифрактограмма оксида алюминия после обработки ТБМЛТ и NHз с последующим прогревом образца при 1100 °С

Характеристические линии при углах 36,65; 42,57 и 61,78, обнаруженные на дифрак-тограмме образца после обработки титан-содержащим реагентом, могут свидетельствовать о наличии фазы на поверхности.

Косвенным подтверждением наличия титан-нитридных структур являются данные РМА (рис. 2), полученные усреднением по трём фазам. Наличие линии кремния на спектре объясняется особенностями съёмки на кремнийсодержащем скотче. Остаточные следы калия говорят о недостаточно тщательном удалении исходных реагентов, применявшихся при получении оксида алюминия.

А1

& т

К /1 Рис. 2. Рентгеновский эмиссионный спектр образца после

I— . . . . | . . . . | . . . . | . . . ^УГЛ | г обработки ТБМЛТ и NH3 с последующим прогре-

1 2 3 4 5 6 вом образца при 1100 °С

Анализ толщины слоя нитрида титана, проведённый методом Яковица—Ньюбери (с использованием программы TFOS), позволяет говорить о толщине титан-нитридных покрытий на уровне 40 нм (при плотности Т1М 5,44 г/см3).

Выводы.

1. Доказана возможность образования титан-нитридных структур на поверхности дисперсного наноразмерного оксида алюминия при использовании метода осаждения из газовой фазы с использованием органических титан-содержащих прекурсоров в атмосфере аммиака и дальнейшем прокаливании при температуре 1100 °С.

2. Толщина плёнок TiNK, полученных на поверхности нанодисперсного оксида алюминия, составляет « 40 нм.

Литература

1. Научные основы нанотехнологий и новые приборы: учебник-монография / под ред. Р. Келсалла, А.Хэмли, М. Геогегана; пер. с англ. Долгопрудный: изд. дом «Интеллект», 2011. 528 с.

2. Ju-Young Yun, Shi-Woo Rhee. Effect of the carrier gas on the metal-organic chemical vapor deposition of TiN from tetrakis-dimethyl-amido-titanium // Thin Solid Films. 1998. Vol. 320, Iss. 2. P. 163-165.

3. Монин А. В., Земцова Е. Г., Швейкина Н. Б., Смирнов В. М. Синтез микро- и наночастиц оксида алюминия золь—гель методом // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 4: Физика, химия. 2010. Вып. 4. С. 154-158.

4. KimaJ., HongaH., OhbK., LeeaC. Properties including step coverage of TiN thin films prepared by atomic layer deposition // Appl. Surf. Sci. 2003. Vol. 210, Iss. 3-4. P. 231-239.

Статья поступила в редакцию 29 июня 2012 г.