热与等离子体增强原子层沉积法制备二氧化钛薄膜的后退火微结构演变及其相变调控研究

（编辑推荐）本研究通过热原子层沉积（TALD）和等离子体增强原子层沉积（PEALD）制备二氧化钛（TiO2）薄膜，系统探究后退火温度（400–1000℃）对薄膜结晶度、表面粗糙度及金红石相（rutile）形成的影响。发现PEALD法制备的厚膜（1500/2000循环）在1000℃退火后可获得单一金红石相，而TALD薄膜则呈现极低金红石比例，揭示了初始微观结构与厚度对相变的关键调控作用。

　　

Highlight

EDS分析

通过能量色散X射线光谱（EDS）对经TALD和PEALD法制备并经后退火的二氧化钛（TiO₂）薄膜表面元素分析表明（表2），无论沉积循环次数或激活方式如何，退火温度升高均未显著改变薄膜的化学计量比（Ti:O≈1:2），证实退火过程未引入杂质或导致成分偏离。

讨论

研究首次明确：仅PEALD法制备的TiO₂薄膜在高温退火后可获得单一金红石相（r-TiO₂）（图6、8），而TALD薄膜即使1000℃退火仍保持锐钛矿（a-TiO₂）主导的混合相（图5、7）。这种差异可能源于PEALD薄膜初始更高的结晶缺陷密度和等离子体诱导的活性氧物种，促进了高温下原子重排。此外，薄膜厚度对相变具有阈值效应——1500循环以上厚膜的金红石相比例显著提升，暗示临界晶核尺寸的存在。

结论

本研究通过多尺度表征（拉曼光谱、XRD、SEM等）揭示：后退火温度、初始沉积方法和薄膜厚度共同调控TiO₂的相变行为。PEALD厚膜（≥1500循环）在1000℃退火时可实现完全锐钛矿-金红石相变，为光催化、生物医学涂层等应用提供了可控制备单晶相TiO₂的新策略。

作者贡献声明

M.G. Ambartsumov：研究设计、数据分析和论文撰写；V.A. Tarala：项目监督与资源协调；E.V. Medyanik：实验执行与数据采集；V.V. Kovalenko：形貌表征与可视化；O.M. Chapura：辅助分析与文稿修订。

利益冲突声明

作者声明无任何可能影响本研究结果的财务或个人利益冲突。

致谢

本研究使用北高加索联邦大学共享实验平台完成。