Characterization of heating and nitriding processes of titanium thin films grown on NaCl(001) substrate held at room temperature

NaCl(001)基板上に形成したチタン薄膜の窒化過程に関する研究

粕壁 善隆*; 渡邉 洋平*; 山本 春也; 吉川 正人; 藤野 豐*

Kasukabe, Yoshitaka*; Watanabe, Yohei*; Yamamoto, Shunya; Yoshikawa, Masahito; Fujino, Yutaka*

不定比性化合物であるチタン窒化物は、チタンと窒素の組成比によって金属性から絶縁性まで物性が変化するため次世代のデバイス材料として応用が期待されている。本研究では、TIARA施設のイオン導入型電子顕微鏡を用いて、窒素イオン注入法によるチタン窒化物の形成を行い、透過電子顕微鏡法(TEM)及び電子エネルギー損失分光(ELLS)による結晶構造及び電子状態のその場観察、さらに分子軌道計算による電子状態の評価と合わせて、原子レベルの結晶成長の観点からチタン窒化物の形成機構及び配向の制御性に関する知見を得てきた。本発表では、NaCl(001)基板上に形成したチタン薄膜の加熱及び窒素イオン注入による窒化過程とその内包するメカニズム、すなわち、「エピタキシャル」変態機構について報告する。

Titanium nitrides (TiN) are non-stoichiometric compounds and show covalent properties as well as metallic and ionic properties, which make them fascinating for both fundamental research and technological applications. The purpose of this work is to study changes of the crystallographic and electronic structures of Ti films by heating and by nitriding during N-implantation into Ti films separated from NaCl(001) substrates, using in-situ transmission electron microscope (TEM) equipped with the instrument for electron energy loss spectroscopy (EELS), and then to clarify the atomistic nitriding processes of Ti thin films due to the N-implantation with the aid of molecular orbital calculations. The present calculations throw light on the hcp-fcc transformation mechanism between fcc-Ti sublattices and hcp sublattices due to the release of H atoms or due to the implantation of N atoms, taking into account the bonding interaction of Ti sublattices with ligand H or N atoms.