利用碰撞等离子体脉冲激光沉积技术制备氮化钛/氧氮化钛薄膜的合成与分析

《Materials Research Bulletin》：Synthesis and analysis of titanium nitride/titanium oxynitride films using colliding plasma pulsed laser deposition techniques

钛氮化物/钛氧化物薄膜通过碰撞等离子体激光沉积（CPLD）技术制备，研究压力（10??-10 mbar）对等离子体扩展的影响，发现高压力下等离子体受限制，优化后获得含氧量约5%的TiN/TiON复合薄膜，XRD和EDXA证实其成分，光学透射率达90%且在400-700 nm范围内稳定。

　　

Ravi Pratap Singh | Astha Shukla

应用科学系，Rajkiya工程学院，Sonbhadra

摘要

氮化钛/氧氮化钛薄膜在作为透明涂层以及创建功能性表面方面具有巨大的潜力。我们使用反应性脉冲激光沉积（CPLD）技术在石英基底上制备并分析了氮化钛/氧氮化钛薄膜。在氮化钛/氧氮化钛的反应性脉冲激光沉积过程中，主要挑战在于控制氮气和氧气物种在钛等离子体中的反应性掺入，这受到复杂的等离子体羽流动态的影响。在这里，我们利用二维成像技术系统研究了在宽广的压力范围（10^-5 mbar至10 mbar）内碰撞的钛等离子体羽流的相互作用和扩展情况。二维成像结果显示，等离子体羽流的扩展受到背景压力的显著影响：在低压下，碰撞的等离子体羽流会自由向前扩展；而在高压下，由于等离子体与周围物种之间的碰撞增加，羽流受到限制。基于这项研究，我们在常温空气中进行了碰撞羽流PLD实验，以沉积TiN/氧氮化钛薄膜。通过XRD和EDXA对沉积薄膜的表征确认了其中存在氮化钛/氧氮化钛相，氮含量约为5 wt%，并且由于基底和氧化反应的产生，薄膜中含有大量的氧。

研究亮点

研究的创新性

本研究创新性地利用空气环境中的碰撞激光等离子体羽流来沉积氮化钛/氧氮化钛薄膜，并通过二维成像技术探讨了钛等离子体的扩展动态。研究发现，气态钛等离子体物种与周围物种发生了反应。这种方法为薄膜沉积和纳米复合材料（Ti-N/TiON）的制备提供了一种新颖且直接的方法。

二维成像

等离子体羽流的扩展在薄膜沉积过程中起着关键作用，因为它决定了等离子体物种的动能、碰撞过程以及与周围气体的相互作用。背景压力直接影响沉积材料的密度和成分[43]。通过优化等离子体羽流的扩展，特别是在使用碰撞羽流的情况下，可以增强等离子体与周围物种的相互作用，从而提高沉积物的化学计量比和均匀性。

结论

在本研究中，我们研究了在压力范围（10 mbar至10^-5 mbar）内碰撞等离子体羽流的扩展动态，并成功利用碰撞羽流脉冲激光沉积技术在石英基底上沉积了氧氮化钛薄膜。时间分辨实验表明，在真空中，等离子体羽流可以自由扩展并相互作用；然而，在较高的环境压力（>10^-1 mbar）下，由于等离子体与周围物种的碰撞增加，羽流的扩展受到限制。

数据获取

本研究的支持数据已包含在文章中。

资金支持

本研究未获得公共部门、商业机构或非营利组织的任何特定资助。

作者贡献声明

所有作者在研究构思、数据分析及手稿撰写方面均做出了同等贡献。所有作者均已阅读并批准了最终版本的手稿。

CRediT作者贡献声明

Ravi Pratap Singh：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论设计、实验研究、数据分析、概念化。Astha Shukla：撰写 – 审稿与编辑、数据分析。

利益冲突声明

作者声明不存在任何利益冲突。

致谢

作者感谢IIT Kanpur提供的实验设施，以及Raj K. Thareja教授的支持和宝贵的讨论。