内表面栅极等离子体源离子注入TiN薄膜及其特性研究

阐述了栅极增强等离子体源离子注入（GEPSII）方法的基本思想.利用GEPSII方法在45号钢 基底上生成了金黄色氮化钛（TiN_x）膜.对不同条件下的TiN膜做电化学腐蚀，X PS，AES， XRD等分析.电化学腐蚀实验显示TiN薄膜改善了45号钢的耐腐蚀性能5—10倍，且在高气压下 效果更好.结构分析显示TiN膜含有TiO₂，TiN成分，主要沿（111）和（200）晶 向生长，深度分析显示膜的厚度只有二十几纳米，膜质地均匀且在基底有一定的嵌入深度. 关键词： 腐蚀 等离子体源离子注入 薄膜 氮化钛     

脉冲高能量密度等离子体法制备TiN薄膜及其摩擦磨损性能研究

利用脉冲高能量密度等离子体技术在室温条件下在45号钢基材上制备出了超硬耐磨TiN薄膜.利用XRD，XPS，AES，SEM等手段分析了薄膜的成分及显微组织结构，并测试了薄膜的硬度分布及摩擦磨损性能.结果表明：薄膜主要组成相为TiN，薄膜组织致密、均匀，与基材之间存在较宽的混合界面；薄膜硬度高，在干滑动磨损实验条件下具有优异的耐磨性及较低的摩擦系数. 关键词： 脉冲高能量密度等离子体 TiN膜 显微组织 耐磨性     

PIIID复合强化处理轴承钢表面TiN膜层的XPS表征

用等离子体浸没离子注入与沉积(PIIID)复合强化新技术在AISI52100轴承钢基体表面成功合成了硬而耐磨的氮化钛薄膜。膜层表面的化学组成和相结构分别用X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)表征;膜层表面的原子力显微镜(AFM)形貌显示出TiN膜结晶完整,结构致密均匀。XRD测试结果表明,TiN在(200)晶面衍射峰最强,具有择优取向。Ti(2p)的XPS谱峰泰勒拟合分析揭示出,Ti(2p_1/2)峰和Ti_2p3/2峰均有双峰出现,表明氮化物中的Ti至少存在不同的化学状态;N(1s)的XPS谱峰在396.51, 397.22和399.01 eV附近出现了三个分峰,分别对应于TiNO_y,TiN和N—N键中的氮原子。结合O(1s)的XPS结果,证实膜层中除生成有稳定的TiN相外,还有少量钛的氧化物和未参与反应的单质氮。整个膜层是由TiN,TiO₂,Ti—O—N化合物和少量单质氮组成的复合体系。     

氮流量对磁控溅射法制备氮化钛薄膜光学性能的影响

采用磁控溅射方法在载波片和Al基片上制备了氮化钛薄膜;通过改变N2流量来改变薄膜中N／Ti原子比例。采用分光光度计和扫描隧道显微镜测试手段对氮化钛薄膜光学性能随N2流量变化的规律进行了研究。薄膜反射率光谱和扫描隧道图谱分析表明,氮化钛薄膜主要遵循自由载流子光吸收机制,随着N含量的增加,溥膜中的自由电子数目不断减少,等离子体频率逐渐红移,反射率降低,薄膜颜色发生变化。从薄膜扫描隧道谱（STS）可知,TiN薄膜表现出类似金属的光学性能,并且其禁带宽度Eg=1．64eV。     

多弧离子镀TiN与不同金属基材间的接触界面与表面特性

用多弧离子镀技术在不同金属基材上进行TiN镀膜实验 ,制备了TiN/Fe、TiN/Cu和TiN/Cr/Cu复合膜 .借助扫描电子显微镜 (SEM)、X射线衍射仪 (XRD)和光电子能谱 (XPS) ,研究了TiN与Fe、Cu和Cr/Cu三种不同衬底接触界面的形貌、结构及其表面特性 .SEM观察发现 ,在一定离子镀膜条件下 ,TiN涂层可与Fe、Cu和Cr/Cu金属基材形成均匀平整的接触界面 ,在铜基上TiN界面清晰 ,在Fe与Cr/Cu界面有明显的层状晶界微结晶分布 .XRD分析显示 ,Fe、Cu和Cr/Cu表面生成的薄膜都包含TiN、Ti2 N等多晶相 ,在Cr/Cu界面还包含Ti-Cr的金属间化合物 .XPS结果表明 ,表面除了TiN膜外 ,还生成TiO2 和TiOxNy 等氧化膜 .Ar+ 刻蚀 5min后 ,TiO2 消失 ,TiOxNy 减少 ,TiN则呈增加趋势 .TiN与Cr/Cu界面形成明显的Ti-Cr和Cr-Ni互扩散层 ,这有助于增强薄膜附着力 ,形成较牢固的TiN涂层 .     

金银/氮化钛表面增强拉曼基底制备及对烟酸的定量检测

表面增强拉曼光谱技术对分子具有特异性识别以及快速无损检测的能力,使其在药物检测方面具有重大的潜力。通过贵金属和氮化钛之间协同作用,使复合基底具有较高的SERS性能,提供了一种基于SERS技术的药物检测方法。采用电化学沉积及自组装法,制备出贵金属/氮化钛复合薄膜。研究表明,在复合薄膜中存在面心立方晶型TiN、金属单质Au和Ag三种物相;电子显微镜显示平均粒径分别为90和50 nm的金属Au和Ag颗粒均匀分布在TiN薄膜表面;基底的紫外-可见吸收图谱中出现了贵金属金与银纳米颗粒及TiN薄膜三者的特征等离子体共振吸收峰。以该复合薄膜为SERS基底,对烟酸溶液进行拉曼检测。结果显示,贵金属/氮化钛复合薄膜对烟酸具有显著的SERS效应,最低检测浓度为10-5 mol·L-1,对1 033 cm-1处烟酸拉曼信号强度及浓度取对数,发现两者间呈一定线性关系,其R2为0.969,得益于TiN,Au和Ag之间可发生表面等离子体共振引起电磁场增强,以及电荷转移效应。研究还发现,烟酸通过COO-基团垂直吸附在贵金属/氮化钛基底表面;在酸性环境下,烟酸N原子质子化主要以阳离子N＋H（Ⅰ）形式存在;在碱性环境时,主要以阴离子COO-（Ⅲ）形式存在。绞股蓝总甙溶液中模拟烟酸非法添加,该复合基底对其最低的拉曼检测浓度是10-5 mol·L-1,为现场快速检测非法添加药物提供了新途径。     

Ag/TiN复合薄膜制备及其表面增强拉曼光谱研究

高灵敏基底材料是表面增强拉曼光谱(SERS)技术应用的关键。本研究采用电化学沉积法将氮化钛(TiN)薄膜与贵金属银复合,利用两者协同效应提高SERS灵敏度。借助XRD、SEM、UV-VIS和Raman等测试手段系统探究了电化学沉积参数对复合基底SERS性能的影响。研究发现,当沉积液浓度为5 mmol/L、沉积电压为5 V及沉积时间为5 min时,复合基底单质Ag和TiN两种物相共存,Ag纳米颗粒沿优势晶面生长,银颗粒在TiN薄膜上生长为棒状结构,分布均匀。与其他沉积参数下制备的基底相比,上述条件下合成的复合薄膜展现出较明显的等离子体共振吸收双峰,表明体系中Ag和TiN两相间产生等离子体共振叠加效应,电磁场耦合作用增强,局部表面等离子体共振耦合作用增加,薄膜表面形成更多的SERS“热点”,并有助于促进电荷转移,进而赋予基底较为优异的SERS性能。这证实了优化电化学沉积参数来调控复合薄膜形貌从而改善SERS基底性能的可行性,可为采用电化学沉积技术制备Ag/TiN复合薄膜作为SERS基底材料提供技术支持。     

多弧离子镀工艺对TiN/Ti与Cr/Cu界面及微结构的影响

用多弧离子镀技术在铜基上电镀Cr/Ni层进行不同工艺条件下多弧离子沉积TiN/Ti实验.借助X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)研究了TiN/Ti与Cr/Cu接触界面形成、微结构及其组分与形貌.XRD分析显示,薄膜表面组分包含TiN,Ti₂N多晶相外,还包含一些Cr-Ti的金属间化合物等.显然,TiN,Ti₂N在表面上已形成.SEM观察指出,在90℃制备的表面膜具有不平整的类枝状结晶结构.随着温度升高至170℃,得到精细TiN/Ti覆盖层表面,XRD峰 关键词： 多弧离子镀 氮化钛 界面形成 微结构     

微波ECR等离子体辅助物理汽相沉积技术

微波电子回旋共振（ＥＣＲ）能够在低气压下产生高密度、高电离度的等离子休．这种等离子体是离子镀最合适的等离子体源，可广泛地应用于等离子体沉积薄膜和表面处理的新工艺，生产高质量的各种金属薄膜、氮化物膜，碳化物膜、氧化物膜、硅化物膜及其他化合物膜．本文着重介绍微波ＥＣＫ等离子体辅助物理汽相沉积（ＥＣＲＰＰＶＤ）技术．     

不锈钢管道低温溅射镀TiN薄膜技术

 设计了一套适用于加速器细长管道真空室的低温溅射镀TiN薄膜装置。利用该装置，对86 mm×2 000 mm的不锈钢管道真空室进行溅射镀TiN膜实验，并对镀膜实验结果进行分析，得到了适用于加速器管道真空室内壁溅射镀TiN膜的表面处理参数。样品测试结果表明：在压强为80～90 Pa、基体温度为160~180 ℃的镀膜参数下，不锈钢管道内壁获得的TiN薄膜最佳，薄膜沉积速率为0.145 nm/s。镀膜后真空室的二次电子产额明显降低。     

Properties of TiN coating on 45# steel for inner surface modification by grid-enhanced plasma source ion implantation method

Using a new inner surface modification method named GEPSII (grid-enhanced plasma source ion implantation), which is designed for inner surface modification of tubular work pieces, we successfully produced polycrystalline TiN coating on 0.45% C steel (45^# steel) samples. Compared with the uncoated 45^# steel sample, the electrochemical corrosion test on the coated 45^# steel samples presents evident improvement in their corrosion resistance. Two implanted voltages, direct current (－2kV) and pulsed negative voltage (－10kV), are applied on the substrates. It is shown that the direct current implantation is more effective than the pulsed implantation in the surface corrosion resistance. AES depth profile shows that coating thickness is about tens of nanometres. The preferred orientations expressed by peaks at (111) and (200) can be seen clearly in XRD patterns.     

基于PIII技术的高真空洁净环境中润滑问题

针对高洁净的真空环境下终端光学组件内运动机构的润滑问题,采用等离子体浸没离子注入（PIII）技术对复杂形状的零件进行表面改性,通过轴承内外圈表面改性前后的对比实验分析,结果表明,通过对注入元素、剂量和能量的选择,可以大幅度提高材料表面的硬度及耐磨性,并且零件的尺寸精度及表面粗糙度保持性好,充分证明了PIII技术可以在满足颗粒洁净度和有机物洁净度的双重要求条件下,提高运动部件抗摩擦磨损性能,延长微驱动机构的运动精度寿命,是解决终端光学组件中润滑问题的有效途径。     

Au/TiN复合薄膜制备及其表面增强拉曼光谱研究

表面增强拉曼散射光谱(SERS)已用于环境监测、生物医药、食品卫生等领域,而高活性SERS基底是表面增强拉曼散射光谱技术应用的关键。TiN作为新型等离子材料具有较强的SERS性能,同时化学稳定性及生物相容性较好,但其SERS性能不如贵金属金强。该研究采用氨气还原氮化法和电化学沉积法,在TiN薄膜表面沉积贵金属Au纳米颗粒制备出Au/TiN复合薄膜。在Au/TiN复合薄膜中单质Au和TiN两种物相共存;随着电化学沉积时间延长,TiN薄膜表面单质金纳米颗粒数量逐渐增多,金纳米颗粒尺寸增大,颗粒间距减小。由于金与TiN两者的本征表面等离子共振耦合作用,Au/TiN复合薄膜的共振吸收峰发生了偏移。利用罗丹明6G为拉曼探针分子,对Au/TiN复合薄膜进行SERS性能分析,发现Au/TiN复合薄膜上的R6G探针分子的拉曼峰信号强度随沉积时间延长呈现先增大后减小的规律;当电化学沉积时间为5 min时,R6G拉曼信号峰较高,复合薄膜样品的SERS活性最大。将Au/TiN复合薄膜和Au薄膜分别浸泡在10-3,10-5,10-7,10-8及10-9 mol·L-1 R6G溶液5 min,进行检测限分析,发现Au/TiN复合薄膜检测极限达10-8 mol·L-1,增强因子达到8.82×105,与Au薄膜和TiN薄膜相比,Au/TiN复合薄膜上对R6G探针分子SERS活性最高。这得益于Au/TiN复合膜中表面等离子体产生的耦合效应,使得局域电磁场强度增强,从而引起R6G探针分子拉曼信号增强。通过2D-FDTD模拟电场分布发现Au/TiN,Au及TiN薄膜具有电场增强作用,其中Au/TiN复合薄膜的增强作用尤为显著,这也证实了氮化钛与金纳米颗粒之间存在耦合效应。另外发现TiN与Au之间可能存在电荷转移,促进了4-氨基苯硫酚氧化反应,进而证实了TiN与Au薄膜的协同作用。此外,Au/TiN复合薄膜均匀性较好,相对平均偏差仅为7.58%。由此可见,采用电化学沉积制备的Au/TiN复合薄膜具有作为SERS基底材料的应用潜力。     

First-principles calculations on implanted TiO<Subscript>2</Subscript> by 3d transition metal ions

3d transition metal (V, Cr and Fe) ions are implanted into TiO₂ by the method of metal ion implantation. The electronic band structures of TiO₂ films doped 3d transition metal ions have been analyzed by ab initio band calculations based on a self-consistent full-potential linearized augmented plane-wave method within the first-principle formalism. Influence of implantation on TiO₂ films is examined by the method of UV-visible spectrometry. The results of experiment and calculation show that the optical band gap of TiO₂ films is narrowed by ion implantation. The calculation shows that the 3d state of V, Cr and Fe ions plays a significant role in red shift of UV-Vis absorbance spectrum.     

Growth of TiN films at low temperature

Thermodynamic analysis on growth of TiN films was given. The driving force for deposition of TiN is dependent on original Ti(g)/N(g) ratio and original partial pressure of N(g). TiN films were deposited by ion beam assisted electron beam evaporation system under suitable nitrogen gas flow rate at 523 K while the density of plasma varied with diverse discharge pressure had been investigated by the Langmuir probe. TiN films were characterized by means of Fourier transform infrared absorption spectrum (FTIR), X-ray diffraction (XRD) and observed by means of atom force microscopy (AFM). The results of these measurements indicated preferential TiN(1 1 1) films were deposited on substrate of Si(1 0 0) and glass by ion beam assisted electron beam evaporation system at low temperature, and it was possible for the deposition of TiN films with a preferential orientation or more orientations if the nitrogen gas flow rate increased enough. Sand Box was used to characterize the fractal dimension of surface of TiN films. The results showed the fractal dimension was a little more than 1.7, which accorded with the model of diffusion limited aggregation (DLA), and the fractal dimension of TiN films increased with increase of the temperature of deposition.     

用于材料表面改性的多功能等离子体浸没离子注入装置

详细叙述了新近研制的多功能等离子体浸没离子注入（ＰⅢ）装置，在装置设计中，考虑了等离子体产生手段、高压脉冲电源和真空抽气系统多项功能要求，把离子注入、涂敷和溅射沉积结合起来，该已实现了多种气体等离子体注入、气－固离子混合与注入、金属等离子体沉积与注入、离子束混合与离子束增强沉积等，以满足不同材料制成的不同零件对多种表面处理工艺的需要，初步应用结果证明，该装置对于改进４５号钢、Ｔｉ－６Ａｌ０－４Ｖ和     

Applying low-energy ion implantation in the creation of nanocontacts on the surface of ultrathin semiconductor films

A new way for obtaining nanocontacts on the surface of semiconductors using Si (111) thin films as an example is proposed. The essence of the method lies in the fact that, first, cobalt-silicide nanofilms with a thickness of 45–50 Å are formed by ion implantation in combination with annealing; then, atoms of the contact metal (Al) are sputtered. The specific resistance of the CoSi₂ nanofilms is (2–3) × 10^?5 Ω × cm.     

Condensation Surface Temperature as a Means for Studying Film Formation Mechanisms

A rise in the condensation surface temperature during film growth is a result of energy dissipation on the condensation surface. An example of energy dissipation is the dissipation of chemical reaction heat, which releases during film deposition by reactive magnetron sputtering. The monitoring of the surface temperature during TiN film deposition by reactive (Ti–in–N₂) and nonreactive (TiN–in–Ar or TiN–in–N₂) sputtering methods has shown that this temperature is higher in the reactive case and decreases in the (TiN–in–Ar)–(TiN–in–N₂) sequence of nonreactive sputtering modifications. It has been found that the composition and crystal structure of TiN films do not depend on the growth method and are identical to those of bulk titanium nitride. Based on these results, a formation mechanism of films obtained by the above methods has been suggested. In the case of reactive sputtering, the film was supposed to grow on the condensation surface through a reaction between titanium and nitrogen atoms. In the cases of nonreactive sputtering, the film forms from TiN molecules.