氮化鈦
氮化鈦，化學式TiN，是一種合成陶瓷材料，極堅硬，其硬度接近於金剛石。通常用作鈦合金，鋼，硬質合金和鋁結構的塗層以改善表面性質。作為薄塗層，氮化鈦用於硬化、保護切割和滑動表面，也可用於裝飾目的，亦作為一種無毒的外部醫療植入物。在大多數應用中的塗層小於5微米。
| 氮化鈦 | |
|---|---|
| |
| |
| IUPAC名 Titanium nitride | |
| 識別 | |
| CAS號 | 25583-20-4 
|
| PubChem | 93091 |
| SMILES |
|
| InChI |
|
| EINECS | 247-117-5 |
| 性質 | |
| 化學式 | TiN |
| 摩爾質量 | 61.874 g·mol⁻¹ |
| 外觀 | 金色塗層 |
| 氣味 | 無味 |
| 密度 | 5.22 g/cm3 |
| 熔點 | 2930 °C（3203 K） |
| 溶解性（水） | 不溶性 |
| 結構 | |
| 配位幾何 | 八面體 |
| 若非註明，所有數據均出自標準狀態（25 ℃，100 kPa）下。 | |
性質 編輯
- 維氏硬度：1800~2200
- 彈性模量：251GPa
- 熱導率：19.2 W/(m·°C)
- 熱膨脹係數：9.35×10-6K-1
- 超導轉變溫：5.6 k
- 磁化率：+38×10-6 emu/mol[1][2]
氮化鈦在室溫下是化學穩定但會被熱濃酸侵蝕，在800℃常壓下會被氧化。具有紅外線（IR）的反射特性，反射光譜類似於金的光譜，因此呈淡黃色。根據不同的基板材料和基材的表面光潔度，氮化鈦的相對摩擦係數約為0.4-0.9（無潤滑）。其典型的晶體結構為氯化鈉型（元素相對化學計量約為1：1），而TiNx複合物的熱力學穩定係數x為0.6-1.2。[3] 全球首個超級絕緣材料亦是由冷卻到接近絕對零度的氮化鈦薄膜製成的，其電阻在此條件下會迅速增加為之前的10萬倍。[4]
應用 編輯
氮化鈦塗層廣泛用於金屬邊緣以保持機械模具的耐腐蝕性，如鑽頭和銑刀，常常由提高三個或更多的因素改善其壽命。由於其具有金屬光澤，常用作服裝和汽車裝飾點綴。作為外層塗層，通常以鎳（Ni）或鉻（Cr）為鍍基板，包裝管道和門窗五金。該塗層也用在航空航天和軍事方面，以及保護的自行車和摩托車的懸掛裝置滑動面，甚至遙控玩具車的減震軸。由於該材料無毒的，符合FDA規範，因此也常用於醫療器械，如保持手術刀刀片和骨科骨鋸刀邊緣的銳度[5]，或直接作為植入假體和其他醫學植入物。
氮化鈦薄膜可用於微電子領域，作為有源器件和金屬接點之間的導電阻擋層。而將薄膜擴散到金屬矽中，它的電導率（30-70μΩ·cm）足以形成良好的導電連接。這種特殊的「阻擋金屬」還具有陶瓷的化學或機械性能，該工藝大量用於當前的45納米晶片設計中以提高電晶體的性能。在電池領域，通過將氮化鈦與柵介質層（例如，HfSiO）組合，相比於標準的SiO2，可以提高介電系數，按比例縮小柵長度，低泄漏，較高的驅動電流，相同或更好的閾值電壓。[6]
較高的生物穩定性使得該合金應用領域延伸到了生物電子電極[7]，如視網膜下的假體項目[8] 和生物醫學中的微電子機械系統（生物微機電）[9]，使智能植入物或體內生物傳感器能夠承受嚴重的體液腐蝕。
合成 編輯
最常用的氮化鈦薄膜合成方法是物理氣相沉積法（PVD，通常有濺射沉積，陰極電弧沉積或電子束加熱）和化學氣相沉積法（CVD）[10]。兩種方法都是將純鈦升華，並在高能量真空環境中與氮氣反應。亦可在高溫下，由四氯化鈦-氮的混合氣與氨-氫的混合氣反應得到氮化鈦，或是將鈦-氫-氮混合氣加熱到高溫通過石墨，冷卻後沉積在基體材料上形成膜。
其他商業變種 編輯
在過去的十年中，有幾種常用的氮化鈦(金黃色)已經開發的變體，如:碳氮化鈦(TiCN)(隨着碳含量增加,顏色變化紅棕~紫紅~灰黑~淺灰)，氮化鋁鈦(TiAlN或AlTiN)(紫黑色）和鈦鋁碳氮化物（黑灰色)，可單獨或與氮化鈦交替使用。這些塗層耐腐蝕性和硬度相近或更優。根據具體應用，顏色從淺灰色到近黑色，或者是暗的虹彩藍紫色。這些塗料常見於體育用品，特別是刀和手槍。[11]
相關條目 編輯
參考資料 編輯
- ^ Hugh O. Pierson. Handbook of refractory carbides and nitrides: properties, characteristics, processing, and applications. William Andrew. 1996: 193. ISBN 0-8155-1392-5.
- ^ Stone, D. S.; K. B. Yoder; W. D. Sproul. Hardness and elastic modulus of TiN based on continuous indentation technique and new correlation. Journal of Vacuum Science and Technology A. 1991, 9 (4): 2543–2547. doi:10.1116/1.577270.
- ^ Toth, L.E. Transition Metal Carbides and Nitrides. New York: Academic Press. 1971. ISBN 0-12-695950-1.
- ^ Newly discovered 'superinsulators' promise to transform materials research, electronics design. PhysOrg.com. 2008-04-07 [2015-03-08]. （原始內容存檔於2012-03-01）.
- ^ Products. IonFusion Surgical. [2009-06-25]. （原始內容存檔於2009-03-22）.
- ^ Dziura, Thaddeus G.; Benjamin Bunday; Casey Smith; Muhammad M. Hussain; Rusty Harris; Xiafang Zhang; Jimmy M. Price. Measurement of high-k and metal film thickness on FinFET sidewalls using scatterometry. Proceedings of SPIE (International Society for Optical Engineering). 2008, 6922 (2): 69220V. doi:10.1117/12.773593.
- ^ M. Birkholz, K.-E. Ehwald, D. Wolansky, I. Costina, C. Baristyran-Kaynak, M. Fröhlich, H. Beyer, A. Kapp, F. Lisdat. Corrosion-resistant metal layers from a CMOS process for bioelectronic applications (PDF). Surf. Coat. Technol. 2010, 204 (12–13): 2055–2059. doi:10.1016/j.surfcoat.2009.09.075.
- ^ H. Hämmerle, K. Kobuch, K. Kohler, W. Nisch, H. Sachs, M. Stelzle,. Biostability of micro-photodiode arrays for subretinal implantation. Biomat. 2002, 23 (3): 797–804. doi:10.1016/S0142-9612(01)00185-5.
- ^ M. Birkholz, K.-E. Ehwald, P. Kulse, J. Drews, M. Fröhlich, U. Haak, M. Kaynak, E. Matthus, K. Schulz, D. Wolansky. Ultrathin TiN membranes as a technology platform for CMOS-integrated MEMS and BioMEMS devices (PDF). Adv. Func. Mat. 2011, 21 (9): 1652–1654. doi:10.1002/adfm.201002062.
- ^ Wear Coatings for Industrial Products. Diffusion Alloys Limited. [2013-06-14]. （原始內容存檔於2013-05-19）.
- ^ Product Development. Coating Services Group, LLC. [2009-06-25]. （原始內容存檔於2012-04-28）.