氮化钛的性质及应用

2024-04-24

氮化钛薄膜(TiN)是一种重要的硬质薄膜涂层材料，也是首先产业化并广泛应用的薄膜涂层材料。TiN 薄膜具有高熔点、高硬度、高温化学稳定性及优良的导热性能、导电性能、光学性能、生物兼容性等优点，适用于耐高温、耐磨损、低辐射玻璃涂层及医学等多个领域。而且由于其独特的颜色与光泽，常用作首饰工业上的金色涂料。TiN薄膜的广泛应用对薄膜质量提出了更高要求，制备具有更高硬度、更高耐磨性，更好结合强度的TiN薄膜已成为国内外硬质涂层研究的热点。

氮化钛的性质

Ti和N可以形成多种固溶体和化合物，常见的Ti-N 化合物有Ti2N和TiN两种，金属钛(Ti)在间隙相中是以密排六方点阵或面心立方点阵排列，非金属氮(N)原子则填充在Ti晶体中的间隙位置。Ti2N结构中，金属Ti原子以密排六方点阵方式排列，而N原子在它的间隙位置;TiN结构中，金属Ti原子则以面心立方点阵方式排列，N 原子在它的八面体间隙位置，形成典型的B1-NaCl结构,如图所示。

物理性质：

颜色：氮化钛具有金黄色的外观，因其颜色常用于装饰性涂层。
硬度：TiN的硬度高，维氏硬度可达到2000-2500 HV，显微硬度约为21GPa，具有极好的耐磨性。
熔点：氮化钛的熔点高达2930℃，适用于高温环境。
密度：TiN的密度为5.22 g/cm³。
热导率：TiN的热导率约为30 W/m·K，具有较好的热导性能。
弹性：弹性模量高达590GPa。
热膨胀：线膨胀系数为9.35×10-6℃(20℃-1000℃)。

化学性质：

化学稳定性：TiN在空气和氧化环境中具有良好的化学稳定性，不易氧化和腐蚀。
耐腐蚀性：氮化钛对许多化学物质（如酸、碱）具有较好的耐腐蚀性。

电学性质：

导电性：TiN具有金属导电性，电阻率约为20 µΩ·cm。
电子结构：TiN具有金属键和共价键的混合特性，电子结构使其具有优异的导电和导热性能。

氮化钛的应用

涂层领域

TiN 涂层是氮化物涂层中研究最早、市场份额最大的涂层之一。广泛应用于各种切削工具、轴承和模具的涂覆层，以增强其使用寿命，减少经济损耗。与普通没有涂层的刀具相比，涂层刀具切削速度提高25%~70%，加工精度提高0.5~1级，刀具消耗费用减少20%~50%，耐磨性提高2~10倍，使用寿命成倍延长。可见TiN涂层对工业生产有着极大的促进作用。

微电子领域

微电子领域TiN优异的导电性可以用来做半导体器件电极、缓冲层和阻挡层等。在以Si材料为基础的集成电路中，Cu由于其低电阻率、优良的抗电迁移性能，成为制备超大型集成电路最具优势的布线材料。然而，Cu在Si及其化物衬底中容易扩散，严重影响着半导体器件的性能。为了解决这些问题，在Cu膜与基体之间加入一层低电阻率、热稳定性好的TiN薄层,即为TiN阻挡层。TiN阻挡层在阻碍Cu扩散的同时又可以有效改善Cu膜附着强度。TiN阻挡层已广泛应用在集成电路中。沉积有厚度为40nm的TN的Cw/TiN/Si 多层膜在 575°℃热处理两个小时后，TiN薄膜依然具有较高的阻挡效果。

镀膜领域

随着现代生活水平的提高，简单实用的装饰材料已经无法满足人们更高层次的精神需求。类似黄金的色泽对人们有着特殊的吸引力，使得人们在仿金领域投入了大量的资金和时间。以往的Cu基仿金合金或化学镀金方法成本高，对环境污染大，难以持续发展。TiN薄膜具有与金银等贵金属相似的光学性能，而且TiN薄膜无毒、价格低廉，是现代仿金材料的理想之选。用磁控溅射法制备TiN薄膜,探究氮含量对薄膜颜色的影响,结果表明随着 N/T 比值的增加,TiN薄膜的颜色发生了多种变化。颜色多变、可控使得TiN薄膜在装饰和珠宝领域拥有广阔的应用前景。

医疗领域

TiN生物兼容性高，可以应用于临床医学和仿生学方面。生物体内部环境十分复杂,传统的医用金属材料容易受到生物体内部环境的影响，导致金属材料自身功能退化，更严重的是变质后的材料会对生物体产生危害，而在医用金属材料表面沉积 TN陶瓷涂层可以有效提高金属材料的耐腐蚀和生物相容性。用离子镀技术制备TiN/Ti复合体，在动物身体内测试，结果表明 TiN/Ti复合体拥有比纯Ti以及医用不锈钢更强的适应性和生物相容性。在口腔医学方面，TiN材料主要应用于切削工具、种植体和义齿的表面镀膜，以减缓口腔电解液环境对植入体的腐蚀，增强医疗器械的使用寿命。

其他领域

TiN薄膜在可见光区半透明而在红外光区呈高反射，在智能玻璃领域拥有广阔的应用前景。TiN的熔点高于大多数的过度金属氮化物，而密度却正好相反，这种特殊的性质使得TiN可以用在耐火材料方向。现代材料制备技术的进步给TiN更多的应用空间，诸如储能、电池和探测器等方向。氮化钛制备简单、性能优异，是现代工业生产中不可或缺的重要材料之一。

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