氮化钛的性质及应用
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。
间隙相的成分在一定范围内可以变化，成分不同的主要原因是由于在金属或非金属的排列点阵中存在高浓度空位间隙相，组元元素可以溶解在间隙相中，或者间隙相之间相互溶解，对于具有相同结构的间隙相，甚至形成连续固溶体，这些效果在涂层样品中更加明显。与块体材料的制备过程相比，涂层通常是在非平衡条件下生长的。在这种条件下，Ti-N可以组成范围较宽的缺位式固溶体，其稳定度组成范围在TiN0.37~TiN1.2之间。当N含量低时，为N缺位固溶体，此时 TiNx更多表现出金属性质;当N含量高时，为缺位固溶体，此时TiNx更多表现出共价化合物性质。因而氮化钛薄膜既具有共价化合物的高熔点、高硬度、良好的热力稳定性以及耐腐蚀性等特点，又具备金属所特有的良好热导性和电导性。TiN的物性也会由于化学计量比的不同，出现一定的差异，理想化学计量比的TiN晶体属于立方晶系，呈金黄色，且具有金属光泽，密度为5.22 g/cm3，熔点2930 ℃，显微硬度约为21GPa，弹性模量高达590GPa，线膨胀系数为9.35×10-6℃(20℃-1000℃)，热导率为19.25W/(m·K)。
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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