Способ получения пленок и пластинок оксида титана IV ТiO-рутил Российский патент 2017 года по МПК C01G23/47 B82Y40/00 

Изобретение относится к нанотехнологиям и наноструктурам, а именно к методам получения пленок и пластинок рутила.

Известен способ изготовления нанокристаллических пленок рутила (патент "Способ получения нанокристаллических пленок рутила", RU 2436727 С2, 29.01.2010), включающий формирование методом магнетронного распыления или электронно-лучевого испарения нанокристаллической пленки титана на оксидированной поверхности пластины из кремния и оксидирование пленки. Оксидирование осуществляют в окислительной газовой среде при импульсном облучении пленки титана фотонами с использованием импульсных ксеноновых ламп с диапазоном излучения 0,2-1,2 мкм в течение 1,6-1,8 с при длительности импульсов 10^-2 с и дозе поступающего на пленку излучения от 230 до 260 Дж⋅см^-2.

Недостатком прототипа является то, что слой формируется в виде нанокристаллической пленки оксида титана на поверхности пластинки кремния, поэтому извлечение конечного продукта (рутила) из-за адгезии к кремнию сопряжено с техническими трудностями, т.к. титан является геттерным материалом, поэтому в процессе распыления его в газовой среде на кремниевую подложку происходит загрязнение конечного продукта; сложная техническая реализация, требующая строгого соблюдения всех технологических условий и предъявляющая высокие требования к оборудованию и персоналу.

Технической задачей является устранение технических трудностей получения рутила, упрощенная технология извлечения конечного продукта, устранение загрязнения конечного продукта.

Технический результат достигается тем, что поверхность титана разогревают с помощью резистивного, индукционного или лучевого (лазерного, электронно-лучевого) воздействия до температуры ниже температуры плавления вблизи точки фазового перехода 800-900°С. Далее в окислительной газовой среде, содержащей кислород в объеме 10-40% и остальной объем - из инертного газа или смеси инертных газов, под давлением в интервале от 100 Па до 5⋅10⁵ Па происходит окисление приповерхностных слоев титана с одновременной перестройкой в структуру, соответствующую TiO₂ - рутилу. Регулируя время, в течение которого длится процесс окисления, можно получать пленки TiO₂ - рутила толщиной от единиц до сотен нанометров или пластинки толщиной до 0,1 мм, свободные от посторонних примесей и загрязнений.

Способ осуществляется следующим образом.

Профилированная заготовка из чистого беспримесного титана устанавливается в специальных креплениях, обеспечивающих ее надежную фиксацию на опорной плите вакуумной установки. В вакууме порядка 10^-3 Па при температуре 550°С производится предварительный отжиг поверхности титана для очистки ее от загрязнений. В камеру напускается окислительная газовая среда необходимого состава до достижения рабочего давления в камере. Поверхность титана разогревают с помощью резистивного, индукционного или лучевого (лазерного, электронно-лучевого) воздействия до температуры ниже температуры плавления вблизи точки фазового перехода (800-900°С). Выбор способа нагрева не оказывает никакого влияния на свойства и скорость получения TiO₂ - рутила. Далее в окислительной газовой среде, содержащей кислород в объеме 10-40% и остальной объем - из инертного газа или смеси инертных газов, под давлением в интервале от 100 Па до 5⋅10⁵ Па происходит окисление приповерхностных слоев титана с одновременной перестройкой в структуру, соответствующую TiO₂ - рутилу. При остывании профилированной титановой заготовки со сформированным на ней слоем TiO₂ - рутила происходит самопроизвольное отделение слоя TiO₂ - рутила от титановой заготовки из-за различия в их коэффициентах теплового расширения. Регулируя время, в течение которого длится процесс окисления, можно получать пленки TiO₂ - рутила толщиной от единиц до сотен нанометров или пластинки толщиной до 0,1 мм, свободные от посторонних примесей и загрязнений.

Как видно из изложенного, техническая задача реализуется полностью и в сравнении с известным техническим решением - прототипом имеет преимущества:

1. Получаемые пленки и пластинки оксида титана легко отделяются от титановой подложки, на которой происходит окисление и структурирование;

2. Так как получение рутила происходит в газовой среде кислорода и инертных газов на поверхности металлического титана, исключается загрязнение формируемого оксида титана посторонними примесями;

3. Предлагаемый способ получения рутила прост в реализации по сравнению с прототипом.

Пример 1. Титановая лента разогревается с помощью резистивного, индукционного, лазерного или электронно-лучевого воздействия в газовой среде до температуры ниже температуры плавления вблизи точки фазового перехода (800-900°С) и начала роста оксидной пленки, выдерживается в этом состоянии в течение 3 секунд. Выбор способа нагрева не оказывает никакого влияния на свойства и скорость получения TiO₂ - рутила. Образуется сплошная устойчивая пленка толщиной порядка 50 нм с высокой адгезией к титановой ленте, состоящая из диоксида титана в виде рутила, свободного от посторонних примесей и загрязнений.

Пример 2. Титановая лента разогревается с помощью резистивного, индукционного, лазерного или электронно-лучевого воздействия в газовой среде до температуры ниже температуры плавления вблизи точки фазового перехода (800-900°С) и начала роста оксидной пленки, выдерживается в этом состоянии в течение 15 секунд. Выбор способа нагрева не оказывает никакого влияния на свойства и скорость получения TiO₂ - рутила. Образуется пористая пленка толщиной порядка 500 нм со слабой адгезией к титановой ленте, состоящая из диоксида титана в виде рутила, свободная от посторонних примесей и загрязнений.

Пример 3. Титановая лента разогревается с помощью резистивного, индукционного, лазерного или электронно-лучевого воздействия в газовой среде до температуры ниже температуры плавления вблизи точки фазового перехода (800-900°С) и начала роста оксидной пленки, выдерживается в этом состоянии в течение 3 минут. Выбор способа нагрева не оказывает никакого влияния на свойства и скорость получения TiO₂ - рутила. На поверхности образуется сплошная пластинка диоксида титана в виде рутила толщиной порядка 0,06 мм со слабой адгезией к титановой ленте, свободная от посторонних примесей и загрязнений, которая может быть легко отделена от исходной титановой ленты пинцетом без разрушения.

Пример 4. Титановая лента разогревается с помощью резистивного, индукционного, лазерного или электронно-лучевого воздействия в газовой среде до температуры ниже температуры плавления вблизи точки фазового перехода (800-900°С) и начала роста оксидной пленки, выдерживается в этом состоянии в течение 5 минут. Выбор способа нагрева не оказывает никакого влияния на свойства и скорость получения TiO₂ - рутила. На поверхности образуется сплошная пластинка диоксида титана в виде рутила толщиной порядка 0,08 мм со слабой адгезией к титановой ленте, свободная от посторонних примесей и загрязнений, которая может быть легко отделена от исходной титановой ленты пинцетом без разрушения.

Изобретение относится к нанотехнологиям и наноструктурам, а именно к методам получения слоя рутила в виде пленки или пластинки. Способ получения включает процесс, происходящий в окислительной газовой среде, причем поверхность титана разогревают с помощью резистивного, индукционного или лучевого воздействия до температуры ниже температуры плавления вблизи точки фазового перехода 800-900°С в окислительной газовой среде, содержащей кислород и инертный газ или смесь инертных газов, при давлении, превышающем 100 Па, при этом происходит окисление приповерхностных слоев титана с одновременной перестройкой в структуру, соответствующую ТiO₂ - рутилу. Технический результат заключается в устранении технических трудностей получения рутила, упрощении технологии извлечения конечного продукта, а также в устранении загрязнения конечного продукта. 4 пр.

Способ получения слоя оксида титана ТiO₂ - рутила в виде пленки или пластинки, включающий процесс, происходящий в окислительной газовой среде, отличающийся тем, что поверхность титана разогревают с помощью резистивного, индукционного или лучевого воздействия до температуры ниже температуры плавления вблизи точки фазового перехода 800-900°С в окислительной газовой среде, содержащей кислород и инертный газ или смесь инертных газов, при давлении, превышающем 100 Па, при этом происходит окисление приповерхностных слоев титана с одновременной перестройкой в структуру, соответствующую ТiO₂ - рутилу.