窒化チタン

曖昧さ回避 この項目では、TiNについて説明しています。Tinについては「スズ」をご覧ください。
窒化チタン
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IUPAC名

Titanium nitride

識別情報
CAS登録番号 25583-20-4 チェック
PubChem 93091
EC番号 247-117-5
特性
化学式 TiN
モル質量 61.874 g/mol
外観 金色の塗膜
匂い 無臭
密度 5.22 g/cm3
融点

2930 °C, 3203 K, 5306 °F

水への溶解度 不溶
磁化率 +38×10−6 emu/mol
熱伝導率 19.2 W/(m·°C)
構造
結晶構造 塩化ナトリウム型構造, cF8
空間群 Fm3m, No. 225
配位構造 Octahedral （八面体）
特記なき場合、データは常温 (25 °C)・常圧 (100 kPa) におけるものである。

窒化チタン（ちっかチタン、英語：Titanium nitride、またはtinite、略称：TiN）とは、非常に硬いセラミック材料であり、基材の表面特性を改善するために、チタン合金、鋼、炭化物、およびアルミニウム部品のコーティングとして利用される。

薄くコーティングされたTiNは、切削や摺動面の保護、金色に見えることから装飾、医療用インプラントの非毒性外装材として使用される。 ほとんどの用途では、5マイクロメートル（0.00020インチ）未満のコーティングが施される。

特性

窒化チタンは、ビッカース硬度2400、弾性率251GPa、熱膨張係数9.35×10−6 K−1、超伝導転移温度5.6Kという特性をもつ[1][2]。

通常の大気中で800℃で酸化する。実験室での試験によれば、20℃で化学的に安定であるが、高温になった濃酸溶液によってゆっくりと腐食される可能性がある[1]。

赤外線を反射するなど、反射スペクトルは金（Au）と類似しており黄色味のかった外観である。基材および表面仕上げによって、TiNは別の潤滑されていないTiN表面に対して0.4-0.9の範囲の摩擦係数を有する。一般的なTiNは、化学量論約1:1で塩化ナトリウム型結晶構造をとり、TiNxのxが0.6-1.2の化合物でも熱力学的に安定である[3]。窒化チタン膜を絶対零度付近まで冷却すると、クーパー対絶縁体が超絶縁体（英語版）になることが示された[4][5]。

用途

  • コーティングした刃の寿命が長くなり、耐腐食性を持つことから切削道具に使用される。
  • 摩耗しやすい場所へのコーティング
  • 装飾
  • TiNは無毒であり、FDAのガイドラインを満たしている事から、医療用のインプラントや、外科手術用のメスや骨用ノコギリに使用される[6]。
  • 酸素分子を強く捕捉することから、電極の酸化を防ぐために核融合実験にも使用されている[7]。
  • マイクロエレクトロニクスの分野では、銅線などのエレクトロマイグレーションを防止する「バリアメタル」として利用される。
  • pMOSFETのメタルゲート電極材料[8][9]

製作

TiN膜の最も一般的な製造方法は、物理気相成長や化学気相成長などである。両方法において、純度の高いチタンを昇華させ、高エネルギーの真空環境下で窒素と反応させる。TiN膜はまた、窒素雰囲気での反応成長（例：焼なまし）によってチタン製加工物上に生成させるのも可能である。

自然界の窒化チタン

Osbornite：隕石中にのみ見られる非常にまれな天然の窒化チタン[10][11]

脚注

  1. ^ a b Hugh O. Pierson (1996). Handbook of refractory carbides and nitrides: properties, characteristics, processing, and applications. William Andrew. p. 193. ISBN 0-8155-1392-5. https://books.google.com/books?id=pbt-RWodmVAC&pg=PA193 
  2. ^ Stone, D. S.; K. B. Yoder; W. D. Sproul (1991). “Hardness and elastic modulus of TiN based on continuous indentation technique and new correlation”. Journal of Vacuum Science and Technology A 9 (4): 2543–2547. doi:10.1116/1.577270. 
  3. ^ Toth, L.E. (1971). Transition Metal Carbides and Nitrides. New York: Academic Press. ISBN 0-12-695950-1 
  4. ^ 物理：超絶縁体の出現（Nature 452, 7187 2008年4月3日）
  5. ^ “Newly discovered 'superinsulators' promise to transform materials research, electronics design”. PhysOrg.com. (2008年4月7日). http://www.physorg.com/news126797387.html 
  6. ^ “Products”. IonFusion Surgical. 2009年6月25日閲覧。
  7. ^ “Vacuum Chamber Gets titanium Nitride Coating, New Window as Tests Near”. LPP Fusion. 2017年2月9日閲覧。
  8. ^ NIMS NOW vol.13 No.7（国立研究開発法人物質・材料研究機構）
  9. ^ Dziura, Thaddeus G.; Benjamin Bunday; Casey Smith; Muhammad M. Hussain; Rusty Harris; Xiafang Zhang; Jimmy M. Price (2008). “Measurement of high-k and metal film thickness on FinFET sidewalls using scatterometry”. Proceedings of SPIE (International Society for Optical Engineering) 6922 (2): 69220V. doi:10.1117/12.773593. 
  10. ^ “Osbornite”. Mindat.org. Hudson Institute of Mineralogy. Feb 29, 2016閲覧。
  11. ^ “Osbornite Mineral Data”. Mineralogy Database. David Barthelmy (Sep 5, 2012). Oct 6, 2015閲覧。

関連項目

酸窒化チタンコーティングされたナイフ
二元化合物
多元化合物

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