窒化チタンの特性と用途
窒化チタン膜は、高融点、高硬度、高温化学安定性、優れた熱伝導性、電気伝導性、光学特性、生体適合性などを有し、高温、耐摩耗性、低放射線ガラスコーティング、医療などのさまざまな分野に適用されます。TiN皮膜の幅広い応用は、皮膜の品質により高い要求を突きつけ、より高い硬度、より高い耐摩耗性、より優れた結合強度を持つTiN皮膜の調製は、国内外のハードコーティング研究のホットスポットとなっている。
窒化チタンの特性
TiとNは様々な固溶体や化合物を形成することができ、一般的なTi-N化合物はTi2NとTiNの2つがあり、格子間相の金属チタン（Ti）は六角形のドットマトリックスまたは面心立方ドットマトリックスの密な行の配置であり、非金属窒素（N）原子はTi結晶の格子間位置を埋める。 Ti2N構造では、金属Ti原子は六角形のドットマトリックスの密な行に配置され、N原子はその隙間の位置にある。Ti2N構造では、金属Ti原子は密な六角形のドットマトリックスに配置され、N原子はその間隙位置にある。TiN構造では、金属Ti原子は面心立方ドットマトリックスに配置され、N原子は八面体のその間隙位置にあり、これは図に示すような典型的なB1-NaCl構造を形成する。
物理的特性：
- 色：窒化チタンは黄金色の外観を持ち、その色から装飾用コーティングによく使用される。
- 硬度：TiNは硬度が高く、ビッカース硬度は2000-2500HVに達することができ、微小硬度は約21GPaで、耐摩耗性に優れている。
- 融点：窒化チタンの融点は最高2930℃であり、高温環境に適している。
- 密度: TiNの密度は5.22 g/cm³である。
- 熱伝導性：TiNの熱伝導率は約30W/m・Kで、良好な熱伝導特性を持つ。
- 弾性率：最大590GPa。
- 熱膨張：線膨張係数は9.35×10-6℃（20℃-1000℃）。
化学的性質：
- 化学的安定性：TiNは、空気中や酸化性環境において良好な化学的安定性を有し、酸化や腐食は容易ではない。
- 耐食性：窒化チタンは、多くの化学薬品（酸やアルカリなど）に対して優れた耐性を持っています。
電気的特性：
- 導電性: TiNは金属導電性を持ち、抵抗率は約20 µΩ・cmである。
- 電子構造: TiNは金属結合と共有結合の混合物特性を持ち、その電子構造により優れた電気伝導性と熱伝導性を持つ。
窒化チタンの用途
コーティング分野
TiNコーティングは、窒化物コーティングの中で最も早くから研究され、最も大きなシェアを持つコーティングの一つである。様々な切削工具、ベアリング、金型のコーティング層として広く使用され、耐用年数を向上させ、経済損失を低減させます。通常のコーティングされていない工具と比較すると、コーティング工具の切削速度は25%~70%向上し、加工精度は0.5~1レベル向上し、工具消費コストは20%~50%低減し、耐摩耗性は2~10倍向上し、耐用年数は飛躍的に延びた。TiNコーティングは、工業生産を促進するために大きな役割を持っていることがわかります。
マイクロエレクトロニクス
マイクロエレクトロニクスの分野におけるTiNの優れた導電性は、半導体デバイスの電極、バッファ層、バリア層などとして使用できる。Si材料をベースとする集積回路では、Cuは抵抗率が低く、エレクトロマイグレーションに対する耐性に優れているため、超大規模集積回路を作成する上で最も有利な配線材料となっている。しかし、CuはSiやその化学基板中に拡散しやすく、半導体デバイスの性能に深刻な影響を与える。このような問題を解決するために、Cu膜と基板の間に、低抵抗率で熱安定性の良いTiN薄膜層、すなわちTiNバリア層を設けることで、Cuの拡散を阻害すると同時に、Cu膜の密着強度を効果的に向上させることができる。 TiNバリア層は、集積回路に広く使用されている。TN膜厚40nmのCw/TiN/Si多層膜を575℃で2時間熱処理したところ、TiN膜は依然として高いバリア効果を示した。
コーティング分野
現代の生活水準が向上するにつれて、シンプルで実用的な装飾材料は、もはや人々のより高い精神的ニーズを満たすことができなくなった。金のような色彩は人を惹きつける特別な魅力があり、そのため、人々は金模造の分野に多くのお金と時間を投資している。以前のCuベースの模造金合金や化学金めっき法は、高コスト、環境汚染、持続可能な発展が困難である。 TiN膜は金、銀、その他の貴金属と同様の光学特性を持ち、TiN膜は無毒で、安価であり、現代の模造金材料の理想的な選択である。マグネトロンスパッタリング法によりTiN膜を作製し、膜の色に及ぼす窒素含有量の影響を調べた結果、N/T比の増加に伴い、TiN膜の色が様々に変化することがわかった。その結果、N/T比の増加に伴い、TiN膜の色が様々に変化することがわかった。このように、TiN膜の色が変化し、制御できることから、TiN膜は装飾品や宝飾品の分野で幅広い応用が期待できる。
医療分野
TiNは生体親和性が高く、臨床医療やバイオニクスに使用できる。生体の内部環境は非常に複雑であり、従来の医療用金属材料は生体の内部環境の影響を受けやすく、その結果、金属材料自体の劣化を招き、より深刻なのは材料の劣化が生体に有害となることであり、医療用金属材料の表面にTNセラミックコーティングを蒸着することで、金属材料の耐食性と生体適合性を効果的に向上させることができる。イオンプレーティング技術によりTiN/Ti複合材料を作製し、動物体内で試験した結果、TiN/Ti複合材料は純Tiや医療用ステンレス鋼よりも強い適応性と生体適合性を有することが示された。歯科分野では、TiN材料は主に切削工具、インプラント、義歯の表面コーティングに使用され、口腔内の電解質環境におけるインプラントの腐食を遅らせ、医療機器の耐用年数を向上させる。
その他の地域
TiNの融点はほとんどの過金属窒化物よりも高いが、密度はその逆であり、これはTiNが耐火物の方向で使用されることを可能にする特別な特性である。最新の材料調製技術の進歩により、窒化チタンはエネルギー貯蔵、電池、検出器などの用途により多くの可能性を与えている。窒化チタンは、その簡単な調製と優れた特性により、現代の工業生産にとって最も重要かつ不可欠な材料のひとつである。
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