氮化钛(TiN)薄膜光学性质的研究进展
氮化钛薄膜的制备及应用
氮化钛薄膜的制备及应用1.TiN薄膜的制备方法TiN 薄膜的研究工作早在20世纪60年代已开始进行，但因材料和器件制备上的困难，使研究工作一度转入低潮。
后来随着薄膜制备技术的提高，国内外对TiN薄膜的研究工作又开始活跃起来，制备方法也多样化了，目前已取得很大进展。
TiN薄膜的制备方法主要可分为物理气相沉积、化学气相沉积两大类。
1．1 物理气相沉积(PVD)1．1．1 电子束蒸镀法单纯采用真空镀膜法制备TiN 薄膜在国内外很少，这主要因为它有与基片结合较差、工艺重复性不好的缺点。
目前国内外用得最多的真空镀膜法是电子束蒸镀方法。
它是一种利用电子束打到待蒸发材料表面将能量传递给待蒸发材料使其熔化并蒸发的方法。
它具有能量密度大，热效率高，热传导和热辐射的损失少等特点，可减少容器材料与镀料之间的反应。
可以很大程度地提高TiN 类镀膜的纯度。
1．1．2 溅射镀膜法磁控溅射制备TiN薄膜技术主要有直流磁控溅射和射频磁控溅射(使用陶瓷TiN 靶材)两种，最近又出现了非平衡磁控溅射和反应溅射。
其中反应溅射方法因其独特的优点最早和最多地使用在TiN 薄膜制备上。
另外非平衡磁控溅射方法也是一种国内外常用的溅射方法，磁控溅射制备TiN 薄膜具有溅射率高、基片温升低、膜基结合力好、装置性能稳定、操作控制方便等优点。
同时它也有一些缺点，例如它的沉积速率较底，效率较差，对降低沉积成本不利，因此磁控溅射方法仅应用于光学、微电子学等对TiN 涂层要求较高的领域。
1．1．3 电弧离子镀20世纪80年代以来，离子镀制备TiN 镀层已发展成为世界范同的一项高新技术，主要应用在制备高速钢和硬质合金工具上的或相关体系的耐磨镀层和不锈钢制品上的仿金装饰镀层上。
进入20世纪90年代，离子镀技术有了长足的进步，在离子镀技术中目前应用最多的是电弧离子镀(也称多弧离子镀)，它已取代了其他各种类型的离子镀，成为当前氮化钛镀层工业唯一的生产工艺。
在电弧离子镀沉积TiN涂层的过程中，影响涂层结构和性能的因素有弧电流、衬底负偏压、衬底温度、氮气的分压、腔体压强等。
氮化钛涂层工艺的再探索
氮化钛涂层工艺的再探索氮化钛涂层工艺的再探索1. 引言氮化钛涂层是一种广泛应用于金属表面保护和改善性能的工艺技术。
通过在金属表面形成一层氮化钛涂层，可以显著提高金属材料的硬度、耐磨性和抗蚀性能，同时还能增强金属材料的粘附性和耐热性。
然而，在实际应用中，氮化钛涂层的工艺仍面临一些挑战，例如涂层厚度均匀性、附着力和成本效益等方面。
本文将对氮化钛涂层的工艺进行再探索，以寻求更好的解决方案。
2. 深度评估为了对氮化钛涂层的工艺进行深入评估，我们首先需要了解目前的常规工艺流程和存在的问题。
传统的氮化钛涂层工艺通常包括两个主要步骤：氮化钛前处理和氮化钛涂层形成。
其中，氮化钛前处理包括表面清洁和钝化处理，旨在提高涂层的附着力和均匀性。
通过真空离子镀或磁控溅射等方法，在金属表面形成一层氮化钛涂层。
然而，传统工艺中存在一些问题。
涂层的厚度均匀性有时难以保证，可能出现涂层厚度差异较大的情况，影响涂层的性能稳定性。
涂层的附着力有时不理想，可能出现脱落或剥离的情况。
传统工艺对于一些复杂形状的金属零件，如内孔或弯曲部分的涂层形成较为困难。
传统工艺中使用的设备和材料成本较高，限制了其在大规模生产中的应用。
3. 新的解决方案基于传统氮化钛涂层工艺存在的问题，我们可以采取一些新的解决方案来改进工艺流程，提高涂层的质量和效率。
我们可以引入先进的表面处理技术，如等离子体增强化学气相沉积（PECVD）或离子束辅助沉积（IBAD）等，以改善涂层的附着力和均匀性。
这些技术可以在金属表面形成一层致密的氮化钛缓冲层，进而提高涂层的附着性能。
这些先进技术还可以通过控制沉积参数，实现对涂层厚度的精确控制，以获得更加均匀的涂层。
对于复杂形状的金属零件，我们可以使用激光熔覆技术。
激光熔覆技术可以通过在金属表面局部加热和熔化，然后喷射氮化钛粉末，实现涂层的形成。
这种技术可以在复杂形状的零件表面形成均匀且高质量的涂层，同时还可以实现对涂层厚度的精确控制。
[整理版]氮化钛薄膜的制备及应用
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氮化钛薄膜的制备及应用1.TiN薄膜的制备方法TiN 薄膜的研究工作早在20世纪60年代已开始进行，但因材料和器件制备上的困难，使研究工作一度转入低潮。
后来随着薄膜制备技术的提高，国内外对TiN薄膜的研究工作又开始活跃起来，制备方法也多样化了，目前已取得很大进展。
TiN薄膜的制备方法主要可分为物理气相沉积、化学气相沉积两大类。
1．1 物理气相沉积(PVD)1．1．1 电子束蒸镀法单纯采用真空镀膜法制备TiN 薄膜在国内外很少，这主要因为它有与基片结合较差、工艺重复性不好的缺点。
目前国内外用得最多的真空镀膜法是电子束蒸镀方法。
它是一种利用电子束打到待蒸发材料表面将能量传递给待蒸发材料使其熔化并蒸发的方法。
它具有能量密度大，热效率高，热传导和热辐射的损失少等特点，可减少容器材料与镀料之间的反应。
可以很大程度地提高TiN 类镀膜的纯度。
1．1．2 溅射镀膜法磁控溅射制备TiN薄膜技术主要有直流磁控溅射和射频磁控溅射(使用陶瓷TiN 靶材)两种，最近又出现了非平衡磁控溅射和反应溅射。
其中反应溅射方法因其独特的优点最早和最多地使用在TiN 薄膜制备上。
另外非平衡磁控溅射方法也是一种国内外常用的溅射方法，磁控溅射制备TiN 薄膜具有溅射率高、基片温升低、膜基结合力好、装置性能稳定、操作控制方便等优点。
同时它也有一些缺点，例如它的沉积速率较底，效率较差，对降低沉积成本不利，因此磁控溅射方法仅应用于光学、微电子学等对TiN 涂层要求较高的领域。
1．1．3 电弧离子镀20世纪80年代以来，离子镀制备TiN 镀层已发展成为世界范同的一项高新技术，主要应用在制备高速钢和硬质合金工具上的或相关体系的耐磨镀层和不锈钢制品上的仿金装饰镀层上。
进入20世纪90年代，离子镀技术有了长足的进步，在离子镀技术中目前应用最多的是电弧离子镀(也称多弧离子镀)，它已取代了其他各种类型的离子镀，成为当前氮化钛镀层工业唯一的生产工艺。
在电弧离子镀沉积TiN涂层的过程中，影响涂层结构和性能的因素有弧电流、衬底负偏压、衬底温度、氮气的分压、腔体压强等。
薄膜热膨胀系数测试技术研究
薄膜热膨胀系数测试技术研究石磊;蒋春磊;陈光海;唐永炳【摘要】热膨胀系数是薄膜的重要热学性能参数,也是薄膜热应力和残余应力计算分析过程中的关键数据.文章基于热诱导弯曲原理,分别采用单基片法和双基片法对氮化钛(TiN)和铝(Al)薄膜的热膨胀系数进行测试,并着重对双基片法的测试误差和适用性进行了分析.研究结果表明,薄膜在不同材质基底上弹性模量的差异是影响双基片法薄膜热膨胀系数测试精度的重要因素.当不同材质基片上薄膜弹性模量差异较小时,双基片法测得的热膨胀系数与单基片法所获结果基本一致;而当不同材质基片上薄膜弹性模量相差较大时,双基片法将不再适用.此外,文章结合薄膜的形貌、结构和残余应力表征测试,对TiN和Al薄膜热膨胀系数与其块体材料的差异进行了分析,结果显示残余压应力会导致薄膜热膨胀系数增大,而残余拉应力则具有相反的效果.【期刊名称】《集成技术》【年(卷),期】2017(006)004【总页数】12页(P49-60)【关键词】薄膜;热膨胀系数;弹性模量;残余应力【作者】石磊;蒋春磊;陈光海;唐永炳【作者单位】中国科学院深圳先进技术研究院深圳 518055;中国科学院深圳先进技术研究院深圳 518055;中国科学院深圳先进技术研究院深圳 518055;中国科学院深圳先进技术研究院深圳 518055【正文语种】中文【中图分类】TG156薄膜材料因其独特的结构和性质已广泛应用于硬质耐磨防护、腐蚀防护、生物医用器件、电子元器件、大规模集成电路、平板显示器、有机发光器件(OLED)、白光LED 照明、信息记录与存储、传感器、微机电系统、光伏太阳能器件、半导体芯片等[1]，涉及高新技术产业的各个领域，是实现器件轻薄短小化和系统集成化的有效手段。
热膨胀是薄膜材料的重要力学行为[2]。
在变温过程中，由于薄膜与基底热膨胀系数的差异而导致的薄膜热应力[3]，不仅会影响薄膜器件的性能，如力学性能[4,5]、电学性能[6-9]、光学性能[10-13]等，而且会造成器件变形、开裂甚至破坏、失效，严重影响薄膜器件的性能和使用寿命。
不锈钢表面磁控溅射制备TiN_(x)涂层的颜色性质研究
DIGITAL PRINTING Tol.210 No.1 2021.2数字印刷 2021年第1期（总第210期）RESEARCH PAPERS研究论文收稿日期：2020-03-17 修回日期：2020-09-10 *为通讯作者项目来源：黑龙江省教育厅项目（No.18XN069, No.18XN089）；大学生创新创业项目（No.201810240030）本文引用格式：刘壮, 穆玉林，朱琳, 等. 不锈钢表面磁控溅射制备TiN x 涂层的颜色性质研究[J].数字印刷, 2021,(1):71-76.不锈钢表面磁控溅射制备TiN x 涂层的颜色性质研究刘 壮*, 穆玉林，朱 琳，迟晨阳，许晓伟，郭 帆，郭新宇，秦 冕，马国荣（哈尔滨商业大学 轻工学院，哈尔滨 150028）摘要 磁控溅射技术是目前广泛使用可替代传统湿涂工艺的一种制备装饰性涂层的方法，但涂层外貌特征尤其是颜色特性与工艺参数之间关系研究不够深入。
本研究利用磁控溅射技术制备了氮化钛（TiN x ）涂层，研究了氮气（N 2）流量对涂层颜色特性及化学计量的影响。
结果表明，当N 2流量增大时，x 值逐渐增大为1；涂层颜色从金属灰变成金黄色，最后变成黑黄褐色，亮度亦随之降低；涂层组分中N 含量逐渐增多。
由Drude 理论模型可知，随着涂层N 含量增多，钛（Ti ）金属键的减少，自由电子数量减少，反射光谱的能量降低，吸收光谱也向低能长波方向移动。
关键词 颜色；磁控溅射；TiN x ；涂层；氮流量中图分类号 TG174 文献标识码 A 文章编号 2095-9540(2021)01-71-06DOI 10.1 9370/10-1304/ts.2021.01.010Color Properties of Titanium Nitride Coatings on Stainless Steel Produced byMagnetron SputteringLIU Zhuang *, MU Yu-lin, ZHU Lin, CHI Chen-yang, XU Xiao-wei, GUO Fan,GUO X in-yu, QIN Mian, MA Guo-rong（College of Light Industry, Harbin University of Commerce, Harbin 150028, China ）Abstract Magnetron sputtering technology is widely used to prepare decorative coatings instead of traditional wet coating technology, but the relationship between coating appearance characteristics, especially color characteristics and process parameters was not investigated deep enough. In this study, TiN x coatings were prepared by magnetron sputtering. The effect of nitrogen flow rate on the color characteristics and stoichiometry of the coatings was studied. The results showed that when the nitrogen flow rate increases, the x value gradually increases up to 1. The color of the coating changes from metallic gray to golden yellow, then to black-yellow-brown, and the brightness decreases. According to Drude’s theoretical model, with the increase of N content in the coating, Ti metal bond decreases, which leads to the number of free electrons decreases. Then, the energy of reflection spectrum decreases, and the absorption spectrum moves to the direction of low energy and long wave.Key words Color ; Magnetron sputtering ; TiN x ; Coatings ; Nitrogen flow rate72数字印刷2021年第1期（总第210期）0引言氮化锌（ZrN）、氮化钛（TiN x）等陶瓷类涂层在装饰材料行业应用广泛，涂层除了装饰功能外兼具保护金属免受腐蚀、磨损、氧化等作用[1-7]。
氮化钛涂层工艺
氮化钛涂层工艺氮化钛涂层工艺是一种常用的表面处理技术，它可以提高材料的硬度、耐磨性和耐腐蚀性，同时还能改善材料的表面光洁度和抗氧化性能。
本文将从氮化钛涂层的原理、工艺流程、应用领域等方面进行详细介绍。
一、氮化钛涂层的原理氮化钛涂层是一种通过在材料表面形成氮化钛薄膜来提高材料性能的表面处理技术。
氮化钛薄膜具有很高的硬度和耐磨性，同时还能提高材料的耐腐蚀性和抗氧化性能。
氮化钛涂层的形成过程主要包括两个步骤：氮化和钛化。
氮化是指将材料表面暴露在氮气气氛中，使氮原子与材料表面的金属原子发生反应，形成氮化物薄膜。
氮化物薄膜具有很高的硬度和耐磨性，可以提高材料的表面硬度和耐磨性。
钛化是指将氮化物薄膜暴露在钛气气氛中，使钛原子与氮化物薄膜发生反应，形成氮化钛薄膜。
氮化钛薄膜具有很高的耐腐蚀性和抗氧化性能，可以提高材料的耐腐蚀性和抗氧化性能。
二、氮化钛涂层的工艺流程氮化钛涂层的工艺流程主要包括以下几个步骤：1. 清洗：将待处理的材料表面清洗干净，去除表面的油污和杂质。
2. 预处理：将材料表面进行预处理，包括去除氧化层、打磨和抛光等。
3. 氮化：将材料表面暴露在氮气气氛中，进行氮化处理，形成氮化物薄膜。
4. 钛化：将氮化物薄膜暴露在钛气气氛中，进行钛化处理，形成氮化钛薄膜。
5. 后处理：对氮化钛薄膜进行后处理，包括清洗、干燥和包装等。
三、氮化钛涂层的应用领域氮化钛涂层广泛应用于机械、航空、汽车、电子、医疗等领域。
具体应用如下：1. 机械领域：氮化钛涂层可以用于制造机械零件，如轴承、齿轮、刀具等，可以提高零件的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。
2. 航空领域：氮化钛涂层可以用于制造航空发动机零件，如涡轮叶片、涡轮盘等，可以提高零件的耐高温性能和抗氧化性能。
3. 汽车领域：氮化钛涂层可以用于制造汽车发动机零件，如气门、活塞环等，可以提高零件的耐磨性和耐腐蚀性。
4. 电子领域：氮化钛涂层可以用于制造电子元器件，如电容器、电阻器等，可以提高元器件的耐高温性能和抗氧化性能。
氮化钛纳米材料制备及其光热转换应用的研究进展
氮化钛纳米材料制备及其光热转换应用的研究进展曹云波１） 梁峰１） 王森１） 何江锋１） 王晓函１） 郝娴２） 张海军１）１）武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室 湖北武汉４３００８１２）中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司 河南洛阳４７１０３９摘 要：纳米氮化钛具有高熔点、良好的化学稳定性以及优良的抗氧化性和导电性能，同时具备局部表面等离子体共振（ＬＳＰＲ）特性，被视为新一代热等离子体材料。
纳米氮化钛的组成与结构、粒度大小和比表面积会影响其ＬＳＰＲ效应和光热转换效率。
因此，纳米氮化钛的有效制备是实现其在光热转换领域产业化应用的关键。
为此，综述了氮化钛纳米材料现有的制备方法及最新研究进展，阐述了各种方法的工艺过程及合成机制，探讨了不同方法之间的差别及应用范围，总结了氮化钛纳米材料在光热转换方面的应用现状，并就未来纳米氮化钛的发展方向做出了展望。
关键词：氮化钛纳米材料；局部表面等离子体共振；光热转换；研究进展中图分类号：ＴＫ５１９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１－１９３５（２０２１）０３－０２４４－０７ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－１９３５．２０２１．０３．０１５ 光热转换作为太阳能利用的一种有效途径，逐渐引起学者的广泛关注。
纳米颗粒独特的局部表面等离子体共振（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄｓｕｒｆａｃｅｐｌａｓｍｏｎｒｅｓｏｎａｎｃｅ，ＬＳＰＲ）特性可以将光学控制的维度从三维降为二维或零维，实现纳米尺度超衍射极限光传输的有效调控，同时可在纳米尺度区域汇聚放大电磁能量，实现对紫外光至近红外光的增强吸收［１－３］。
光热转换效应是通过材料表面ＬＳＰＲ特性将光能转化为电子或空穴谐振的动能，或者电子跃迁产生的能量，由晶格散射的振动能向周围环境传递从而使环境温度提高，具有ＬＳＰＲ特性的光热转换材料被称为热等离子体材料［４］。
热等离子体结构能够支持自由电子（表面等离子体）的集体振荡，具有许多特性，包括强共振散射和吸收，以及显著的近场增强，这使其有着广泛的应用［５－６］。
氮化钛相对介电常数
氮化钛相对介电常数1. 介电常数的概念介电常数是描述材料对电场响应能力的物理量，通常用ε表示。
它是材料的电极化程度的度量，也可以理解为材料在电场中的响应能力。
介电常数可以分为相对介电常数和绝对介电常数两种。
相对介电常数是指在给定电场下，材料相对于真空或空气的电容性能。
绝对介电常数是指材料在无穷远离电荷源的情况下的电容性能。
相对介电常数是绝对介电常数的无量纲化，即相对介电常数等于绝对介电常数与真空或空气的介电常数之比。
2. 氮化钛的基本特性氮化钛是一种具有高熔点、高硬度和高热导率的陶瓷材料。
它具有优异的电学性质和热学性质，因此在电子器件、光学器件和热管理领域具有广泛的应用。
氮化钛具有高的绝缘性能和低的电导率，这使得它成为一种理想的绝缘材料。
同时，氮化钛还具有优异的耐高温性能和化学稳定性，能够在极端的环境下保持稳定的电学性能。
3. 氮化钛的相对介电常数氮化钛的相对介电常数通常在2.9到6之间变化。
这个范围内的具体数值取决于氮化钛的制备方法、晶体结构和杂质含量等因素。
氮化钛的相对介电常数的大小与其晶体结构和电子结构密切相关。
氮化钛具有尖晶石结构，其中氮原子占据正八面体间隙，钛原子占据正八面体和四面体间隙。
这种晶体结构使得氮化钛具有高的电极化能力，从而表现出较高的相对介电常数。
此外，氮化钛的相对介电常数还受到杂质的影响。
例如，氮化钛中的杂质含量较高时，杂质原子会引起晶格畸变，从而降低了氮化钛的相对介电常数。
4. 氮化钛相对介电常数的应用氮化钛的高相对介电常数使得它在电子器件和光学器件中具有广泛的应用。
在电子器件中，氮化钛可以用作介电层材料，用于制造电容器和绝缘层。
其高的相对介电常数可以增加电容器的电容量，从而提高电子器件的性能。
在光学器件中，氮化钛可以用作介质层材料，用于制造光学薄膜和光学波导。
其高的相对介电常数可以调节光的传播速度和折射率，从而实现光的控制和调制。
此外，氮化钛的相对介电常数还可以用于热管理领域。
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书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
氮化钛(TiN)薄膜光学性质的研究进展
介绍了拟合氮化钛薄膜光学常数常用的色散模型，且结合第一性原理
计算出的能带结构和态密度给予阐述;概括了氮化钛在表面等离子体共振方面的
研究进展和掺杂对于氮化钛薄膜光学性能的影响;并且指出了氮化钛在节能镀膜
玻璃方面的应用。
TiN 薄膜以其制备工艺成熟稳定、价格低廉以及耐磨耐腐蚀特性好，而
广泛应用于切削工具和机械零件的硬质涂层保护膜。
近年来，随着科技的发展
和工业的需求，TiN 在MEMS、太阳能电池的背电极、燃料电池、纳米生物技术、节能镀膜玻璃等领域的应用都有相关的报道。
关于
TiN 薄膜的研究已经从原有的注重力学机械性能，逐渐转向光电性能;其
中关于薄膜光学性质的研究报道已有很多，本文将综述已有的研究成果，着重
从物理原理的角度解析TiN 薄膜的光学性质。
TiN 薄膜的光学性质
TiN 的能带结构和态密度
TiN 属于面心立方结构，晶格中参与成键的价电子有过渡族金属Ti 的
3d24s2 和N 的2p3。
通过采用缀加平面波方法和第一性原理计算可以得出TiN 的能带结构和态密度，进而计算出材料中电子的填充态和未填充态，再根据跃
迁的选择定则，计算出跃迁矩阵元和吸收系数，从而得到介电函数的虚部;再根
据Kramers- Kronig 变换关系就可得出介电函数的实部，据Maxwell 关系式就可以确定材料的折射率和消光系数。
因此分材料的能带结构和态密度对材料光
学性质的影响就显得非常重要。
根据跃迁选择定则和计算出的TiN 能带结构显示，跃迁过程将会发生。