Effect of Annealing on the Structure of Magnetron-Sputtered Cerium Dioxide Surface Layers

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Magnetron sputtering and subsequent annealing are used to form nano- and micron-sized cerium dioxide (CeO2) surface layers on a VT6 titanium alloy base. The structure of samples is studied by scanning electron microscopy, Auger-electron spectroscopy, energy dispersive spectroscopy, and X-ray diffraction analysis. We detected a linear dependence of the surface layer thickness on the deposition time, a nonlinear increase in the thickness with the supply power, an increase in the surface roughness, and delamination and surface layer loosening, which are likely to be related to annealing. For samples with a surface layer less than 750 nm in thickness, the formation of a TiO2, Al2O3, and CeVO4 sublayer is found; at a layer thickness of less than 300 nm, the entire cerium dioxide is consumed to form vanadate from vanadium dioxide.

About the authors

E. O. Nasakina

A.A. Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science of the RAS

Email: baikinas@mail.ru
Russian Federation, Leninskiyprosp. 49, Moscow 119334

M. A. Sudarchikova

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences

Email: nacakina@mail.com
Moscow, Russia

A. S. Baikin

A.A. Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science of the RAS

Email: baikinas@mail.ru
Russian Federation, Leninskiyprosp. 49, Moscow 119334

A. A. Mel'nikova

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences

Email: nacakina@mail.com
Moscow, Russia

A. V. Mikhaylova

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences

Email: nacakina@mail.com
Moscow, Russia

N. A. Dormidontov

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences

Email: nacakina@mail.com
Moscow, Russia

P. A. Prokof'ev

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences

Email: nacakina@mail.com
Moscow, Russia

S. V. Konushkin

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences

Email: nacakina@mail.com
Moscow, Russia

K. V. Sergienko

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: nacakina@mail.com
Moscow, Russia

References

  1. Lee, W. Oxygen surface exchange at grain boundaries of oxide ion conductors / W. Lee, H.J. Jung, M.H. Lee, Y.B. Kim, J.S. Park, R. Sinclair, F.B. Prinz // Adv. Funct. Mater. 2012. V.22. P.965-971. doi: 10.1002/adfm.201101996.
  2. Cho, S. Microstructural and electrical properties of Ce0,9Gd0,1O1,95 thin-film electrolyte in solid-oxide fuel cells / Cho S., Yoon J., Kim J.H., Zhang X., A. Manthiram, Wang H. //j. Mater. Res. 2011. V.26. P.854-859. doi: 10.1557/jmr.2010.72.
  3. So¤nderby, S. Strontium diffusion in magnetron sputtered gadolinia-doped ceria thin film barrier coatings for solid oxide fuel cells / S. So¤nderby, P.L. Popa, J. Lu, B.H. Christensen, K.P. Almtoft, L.P. Nielsen, P. Eklund // Adv. Energy Mater. 2013. №3. P.923-929. doi: 10.1002/aenm.201300003.
  4. Tian, D. Enhanced performance of symmetrical solid oxide fuel cells using a doped ceria buffer layer / Tian D., Lin B., Yang Y., Chen Y., Lu X., Wang Z., Liu W., Traversa E. // Electrochim. Acta. 2016. V.208. P.318-324. doi: 10.1016/j.electacta.2016.04.189.
  5. Jaiswal, N. A brief review on ceria based solid electrolytes for solid oxide fuel cells / N. Jaiswal, K. Tanwar, R. Suman, D. Kumar, S. Uppadhya, O. Parkash //j. Alloys Compd. 2019. V.781. P.984-1005. doi: 10.1016/j.jallcom.2018.12.015.
  6. Raza, R. Functional ceria-based nanocomposites for advanced low-temperature (300-600 °C) solid oxide fuel cell: a comprehensive review / R. Raza, Zhu B., A. Rafique, M.R. Naqvi, P. Lund // Mater. Today Energy. 2020. V.15. Art.100373. doi: 10.1016/j.mtener.2019.100373.
  7. Singh, B. Low temperature solid oxide electrolytes (LT-SOE): a review / B. Singh, S. Ghosh, S. Aich, B. Roy //j. Power Sources. 2017. V.339. P.103-135. doi: 10.1016/j.jpowsour.2016.11.019.
  8. Paier, J. Oxygen defects and surface chemistry of ceria: quantum chemical studies compared to experiment /j. Paier, C. Penschke, J. Sauer // Chem. Rev. 2013. V.113. P.3949-3985.
  9. Bamwenda, G.R. Cerium dioxide as a photocatalyst for water decomposition to O2 in the presence of Ce4a+q and Fe3a+q species / G.R. Bamwenda, H. Arakawa //j. Molecular Catal. A: Chemical. 2000. V.161. P.105-113.
  10. Gao, H. Cerium oxide coating of titanium dioxide pigment to decrease its photocatalytic activity / Gao H., Qiao B., Wang T.-J., Wang D., Jin Y. // Industr. Eng. Chem. Res. 2014. V.53. P.189-197.
  11. Torrente-Murciano, L. Shape-dependency activity of nanostructured CeO2 in the total oxidation of polycyclic aromatic hydrocarbons / L. Torrente-Murciano, A. Gilbank, B. Puertolas, T. Garcia, B. Solsona, D. Chadwick // Appl. Catalys. B: Environ. 2013. V.132, 133. P.116-122.
  12. Vorokhta, M. HAXPES study of CeOx thin film-silicon oxide interface / M. Vorokhta, I. Matolinova¢, M. Dubau, S. Haviar, I. Khalakhan, K. SÚ evcÚÚ ikova¢, T. Mori, H. Yoshikawa, V. Matolin // Appl. Surf. Sci. 2014. V.303. P.46-53.
  13. Hierso, J. Nanostructured ceria based thin films (£1mm) as cathode/electrolyte interfaces /j. Hierso, P. Boy, K. Valle, J. Vulliet, F. Blein, C. Laberty-Robert, C. Sanchez //j. Solid State Chem. 2013. V.197. P.113-119.
  14. Shen, D. Effect of cerium and lanthanum additives on plasma electrolytic oxidation of AZ31 magnesium alloy / Shen D., Ma H., Guo C., Cai J., Li G., He D., Yang Q. //j. Rare Earths. 2013. V.31. P.1208-1213.
  15. Cao, X.Q. Ceramic materials for thermal barrier coatings / X.Q. Cao, R. Vassen, D. Stoever //j. Eur. Ceram. Soc. 2004. V.24. P.1-10.
  16. Lin, K.-S. Synthesis, characterization, and application of 1-D cerium oxide nanomaterials: A review / K.-S. Lin, S. Chowdhury // Intern. J. Mol. Sci. 2010. V.11. P.3226-3251.
  17. Patsalas, P. Optical performance of nanocrystalline transparent ceria films / P. Patsalas, S. Logothetidis, C. Metaxa // Appl. Phys. Lett. 2002. V.81. P.466-468.
  18. Azimi, G. Hydrophobicity of rareearth oxide ceramics / G. Azimi, R. Dhiman, H.M. Kwon, A.T. Paxson, K.K. Varanasi // Nat. Mater. 2013. V.12. P.315-320.
  19. Fahrenholtz, W.G. Characterization of cerium-based conversion coatings for corrosion protection of aluminum alloys / W.G. Fahrenholtz, M.J. O'Keefe, H. Zhou, J.T. Grant // Surf. Coat. Technol. 2002. V.155. P.208-213.
  20. Auffan, M. CeO2 nanoparticles induce DNA damage towards human dermal fibroblasts in vitro / M. Auffan, J. Rose, T. Orsiere, M. De Meo, A. Thill, O. Zeyons, O. Proux, A. Masion, P. Chaurand, O. Spalla, A. Botta, M.R. Wiesner, J.-Y. Bottero // Nanotoxicology. 2009. №3. P.161-169.
  21. Filippova, A.D. Low-temperature inactivation of enzyme-like activity of nanocrystalline CeO2 sols / A.D. Filippova, M.M. Sozarukova, A.E. Baranchikov, A.A. Egorova, K.A. Cherednichenko, V.K. Ivanov // Rus. J. Inorganic Chem. 2022. V.67. №12. P.1948-1955. doi: 10.1134/S0036023622601581.
  22. Popov, A.L. Synthesis and biocompatibility study of ceria-mildronate nanocomposite in vitro / A.L. Popov, D.D. Kolmanovich, N.R. Popova, S.S. Sorokina, O.S. Ivanova, N.N. Chukavin, A.B. Shcherbakov, T.O. Kozlova, S.A. Kalashnikova, V.K. Ivanov // Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2022. V.13(1). P.96-103. doi: 10.17586/2220-8054-2022-13-1-96-103.
  23. Petrova, V.A. Bacterial cellulose composites with polysaccharides filled with nanosized cerium oxide: characterization and cytocompatibility assessment / V.A. Petrova, I.V. Gofman, A.S. Golovkin, A.I. Mishanin, N.V. Dubashynskaya, A.K. Khripunov, E.M. Ivan'kova, E.N. Vlasova, A.L. Nikolaeva, A.E. Baranchikov, Y.A. Skorik, A.V. Yakimansky, V.K. Ivanov // Polymers. 2022. V.14(22). Art.5001. doi: 10.3390/polym14225001.
  24. Huang, S.F. Cerium caused life span shortening and oxidative stress resistance in Drosophila melanogaster / Huang S.F., Li Z.Y., Wang X.Q., Wang Q.X., Hu F.F. // Ecotoxicol. Environ. Saf. 2010. V.73. №1. P.89-93.
  25. Щербаков, А.Б. Нанокристаллический диоксид церия - перспективный материал для биомедицинского применения / А.Б. Щербаков, В.К. Иванов, Н.М. Жолобак, О.С. Иванова, Е.Ю. Крысанов, А.Е. Баранчиков, Н.Я. Спивак, Ю.Д. Третьяков // Биофизика. 2011. Т.56. №6. С.995-1015.
  26. Karakoti, A.S. Preparation and characterization challenges to understanding environmental and biological impacts of ceria nanoparticles / A.S. Karakoti, P. Munusamy, K. Hostetler, V. Kodali, S. Kuchibhatla, G. Orr, J.G. Pounds, J.G. Teeguarden, B.D. Thrall, D.R. Baer // Eur. Appl. Surf.Intern. Analysis. 2011. V.44. №8. P.882-889.
  27. Zhang, Y.W. Facile alcohothermal synthesis, size-dependent ultraviolet absorption and enhanced CO conversion activity of ceria nanocrystals / Zhang Y.W., Si R., Liao C.S., Yan C.H., Xiao C.X., Kou Y. //j. Phys. Chem. B. 2003. V.107. P.10159-10167.
  28. Pierscionek, B.K. Nanoceria have no genotoxic effect on human lens epithelial cells / B.K. Pierscionek, Li Y., A.A. Yasseen, L.M. Colhoun, R.A. Schachar, Chen W. // Nanotechnology. 2010. V.21. №3. Art.035102.
  29. Barreca, D. Nucleation and growth of nanophasic CeO2 thin films by plasma-enhanced CVD / D. Barreca, A. Gasparotto, E. Tondello, C. Sada, S. Polizzi, A. Benedetti // Chem. Vap. Depos. 2003. №9. P.199-206.
  30. Balakrishnan, G. A study of microstructural and optical properties of nanocrystalline ceria thinfilms prepared by pulsed laser deposition / G. Balakrishnan, S.T. Sundari, P. Kuppusami, P.C. Mohan, M.P. Srinivasan, E. Mohandas, V. Ganesan, D. Sastikumar // ThinSolid Films. 2011. V.519. P.2520-2526.
  31. Steenberge, S.V. Influence of oxygen flow and film thickness on the texture and microstructure of sputtered ceria thin films / S.V. Steenberge, W.P. Leroy, D. Depla // ThinSolid Films. 2014. V.553. P.2-6.
  32. Shi, Z. Effect of bias voltage on the properties of CeO2-x coatings prepared by magnetron sputtering / Shi Z., Shum P., Zhou Z., Li L. K.-Y. // Surf. Coat. Technol. 2017. V.326 B. P.411-416. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2016.11.104.
  33. Shi, Z. Effect of oxygen flow ratio on the wetting behavior, microstructure and mechanical properties of CeO2-x coatings prepared by magnetron sputtering / Shi Z., Shum P., Zhou Z., Li L. K.-Y. // Surf. Coat. Technol. 2017. V.20. P.333-338. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2016.12.055.
  34. Khalakhan, I. Au-CeO2 nanoporous films/carbon nanotubes composites prepared by magnetron sputtering / I. Khalakhan, M. Vorokhta, M. Chundak, V. Matolin // Appl. Surf. Sci. 2013. V.267. P.150-153. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.08.106.
  35. Yamamoto, S. Orientational control of CeO2 films on sapphire substrates grown by magnetron sputtering / S. Yamamoto, M. Sugimoto, H. Koshikawa, T. Hakoda, T. Yamaki //j. Crystal Growth. 2017. V.468. P.262-267. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2016.12.038.
  36. Kim, L. Effects of deposition parameters on the crystallinity of CeO2 thin films deposited on Si(100) substrates by r.f.-magnetron sputtering / Kim L., Kim J., Jung D., Park C.-Y., Yang C.-W., Roh Y. // ThinSolid Films. 2000. V.360. №1-2. P.154-158. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(99)01087-1.
  37. Kabir, M.S. Structure and properties of hydrophobic CeO2-x coatings synthesized by reactive magnetron sputtering for biomedical applications / M.S. Kabir, P. Munroe, V. Gonciales, Z. Zhou, Z. Xie // Surf. Coat. Technol. 2018. V.349. P.667-676. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.06.031.
  38. Mickan, M. Optimized magnetron sputtering process for the deposition of gadolinia doped ceria layers with controlled structural properties / M. Mickan, P. Coddet, J. Vulliet, A. Caillard, T. Sauvage, A.-L. Thomann // Surf. Coat. Technol. 2020. V.398. Art.126095. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.126095.
  39. Park, I. Grain growth and mechanical properties of CeO2-x films deposited on Si(100) substrates by pulsed dc magnetron sputtering / Park I., Lin J., J.J. Moore, M. Khafizov, D. Hurley, Manuel M.V., T. Allen // Surf. Coat. Technol. 2013. V.217. P.34-38. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.11.068.
  40. Кузьмичёв, А.И. Магнетронные распылительные системы: в 2 кн. Кн.1. Введение в физику и технику магнетронного распыления / А.И. Кузьмичёв. - К.: Аверс, 2008. 244 с.
  41. Nasakina, E.O. Study of Co-deposition of tantalum and titanium during the formation of layered composite materials by magnetron sputtering / E.O. Nasakina, M.A. Sudarchikova, K.Y. Demin, A.B. Mikhailova, K.V. Sergienko, S.V. Konushkin, M.A. Kaplan, A.S. Baikin, M.A. Sevostyanov, A.G. Kolmakov // Coatings. 2023. V.13. P.114. https://doi.org/10.3390/coatings13010114.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2023 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».