氮掺杂二氧化钛功能薄膜：面向电磁干扰吸收屏蔽与力学性能协同增强的创新策略

本文创新性地采用磁控溅射结合低浓度氮热氧化工艺，成功制备出兼具优异电磁干扰（EMI）屏蔽性能（近40 dB吸收主导型屏蔽效能）与卓越力学性能（硬度19.3 GPa，弹性模量195.1 GPa）的N掺杂TiO2（TiON）功能薄膜。通过精准调控N2流量实现晶格掺杂与纳米柱纤维结构协同构建，为航空航天等高要求环境下的多功能薄膜设计提供了新思路。

　　

亮点

TiO₂薄膜的制备

本研究采用凯华丽晶硅材料科技有限公司（浙江，中国）采购的石英玻璃作为薄膜沉积基底，尺寸为25.0 mm × 25.0 mm × 1.0 mm。高纯度Ti靶材（纯度99.999%，熔点1668℃，沸点3262℃，比热容0.52(J/(KG·K)，蒸发热421(KJ/MOL)，熔化热15.45(KJ/MOL)，电导率0.0234(10⁶/CM)）购自来宝利公司，每个尺寸为65.0 mm × 5.0 mm。

热氧化后薄膜的相组成

为探究500℃热氧化时间对TiO₂薄膜化学成分的影响，我们进行了GIXRD图像分析（图2）。结果表明，与初始沉积状态相比，薄膜的化学组成发生显著变化。初始沉积薄膜显示出强烈的Ti衍射峰，有力证实了热氧化前磁控溅射获得的薄膜中以Ti金属为主。在低浓度氮氛围的热氧化过程中，随着时间推移，薄膜逐渐转变为具有纳米柱状结构的金红石相TiO₂，氮元素的成功掺杂诱导了晶格畸变，同步优化了电子结构和力学性能。

结论

总而言之，通过磁控溅射工艺结合低浓度N₂热氧化制备的N掺杂TiO₂薄膜（TiON）展现出突破性综合性能。氮掺杂不仅诱导晶格畸变显著提升薄膜硬度、耐磨性和韧性，还优化电子结构增强电磁波吸收性能。氧化6小时后薄膜形成纳米颗粒结构，而9小时氧化则生成独特的高纵横比纳米柱 morphology，通过介电损耗调控与特殊形态的协同效应，实现了近40 dB的吸收主导型电磁干扰屏蔽效能（EMI SE），其综合性能超越大多数TiO₂基薄膜，为苛刻服役环境下兼具功能性与结构可靠性的应用提供了理想解决方案。