PL240989B1 - Method of preparation of a silver and nitrogen modified titanium dioxide coating and a coating obtained thereby - Google Patents

Method of preparation of a silver and nitrogen modified titanium dioxide coating and a coating obtained thereby Download PDF

Info

Publication number
PL240989B1
PL240989B1 PL426051A PL42605118A PL240989B1 PL 240989 B1 PL240989 B1 PL 240989B1 PL 426051 A PL426051 A PL 426051A PL 42605118 A PL42605118 A PL 42605118A PL 240989 B1 PL240989 B1 PL 240989B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
coating
target
titanium dioxide
silver
approx
Prior art date
Application number
PL426051A
Other languages
Polish (pl)
Other versions
PL426051A1 (en
Inventor
Andrzej Dziedzic
Wojciech Bohnowski
Łukasz Szyller
Stanisław Adamiak
Grzegorz Wisz
Józef Cebulski
Original Assignee
Univ Rzeszowski
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Univ Rzeszowski filed Critical Univ Rzeszowski
Priority to PL426051A priority Critical patent/PL240989B1/en
Publication of PL426051A1 publication Critical patent/PL426051A1/en
Publication of PL240989B1 publication Critical patent/PL240989B1/en

Links

Landscapes

  • Catalysts (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Description

PL 240 989 B1PL 240 989 B1

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania przeźroczystej powłoki ditlenku tytanu modyfikowanego srebrem i azotem oraz powłoka wytworzona tym sposobem. Przeźroczysta powłoka ze względu na swe właściwości antybakteryjne, przeznaczona jest zwłaszcza do nanoszenia na podłoża ceramiczne narzędzi, aparatury, itp. stosowane w szpitalach i innych placówkach służby zdrowia, co w konsekwencji, powinno przyczynić się do ograniczenia zakażeń szpitalnych - poważnego problemu, z jakim boryka się służba zdrowia.The subject of the invention is a method of producing a transparent coating of titanium dioxide modified with silver and nitrogen, and the coating produced by this method. The transparent coating, due to its antibacterial properties, is intended especially for applying tools, apparatus, etc. on ceramic substrates, used in hospitals and other health care facilities, which in turn should contribute to reducing hospital infections - a serious problem faced by health service.

Z publikacji Adolfo A., Mosquera, Jose M. Albella, Violeta Navarro, Debabrata Bhattacharyya & Jose L. Endrino, Effect of silver on the chase transition and wettability of titanium oxide films, (Scientific Reports, 2016) znane są własności antybakteryjne nietoksycznych, przeźroczystych powłok ditlenku tytanu aktywowanych promieniowaniem UV, zaś nanokompozyt na osnowie ditlenku tytanu z nanocząstkami Ag wykazuje właściwości fotokatalityczne aktywowane również promieniowaniem z zakresu widzialnego.From the publications of Adolfo A., Mosquera, Jose M. Albella, Violeta Navarro, Debabrata Bhattacharyya & Jose L. Endrino, Effect of silver on the chase transition and wettability of titanium oxide films, (Scientific Reports, 2016), the antibacterial properties of non-toxic, transparent titanium dioxide coatings activated by UV radiation, while a nanocomposite based on titanium dioxide with Ag nanoparticles shows photocatalytic properties, also activated by visible radiation.

Działanie antybakteryjne powłoki ditlenku tytanu modyfikowanego srebrem i azotem oparte jest na tworzeniu na powierzchni rodników hydroksylowych i reaktywnych form tlenu w procesie fotokatalizy aktywowanej promieniowaniem z zakresu UV i Vis oraz poprzez mechanizm uwalniania jonów Ag+. Z publikacji Lei Miao i wsp., Microstructure and bactericidal ability of photocatalytic TO2 thin films prepared by rf helicon magnetron sputtering, (Applied Surface Science, 2004, 238, 125-131) oraz JamunaThevi K. i wsp. Quantification of silver ion release, in vitro cytotoxicity and antibacterial properties of nanostuctured Ag doped TiO2 coatings on stainless steel deposited by RF magnetron sputtering, (Vacuum, 2011, 86, 235-241) wiadomo, że aktywność fotokatalityczna ditlenku tytanu zależy od jego odmiany polimorficznej. Pożądana jest faza anatazu, ze względu na większy stopień hydroksylacji na powierzchni od fazy rutylu. Jednakże Navabpour P. i wsp., w publikacji The effect of process parameters on the structure, photocatalytic and self-cleaning properties of TO2 and Ag-TiO2 coatings deposited using reactive magnetron sputtering (Thin Solid Films, 571, 2014, 75-83) stwierdzili, że powłoka TiO2:Ag o mikrostrukturze składającej się z fazy rutylu nie wykazywała potencjału antybakteryjnego, jednakże powłoka o strukturze mieszanej - faz anatazu i rutylu eliminowała bakterie w ciągu 12 godzin i to bez potrzeby jej aktywacji światłem. Antybakteryjne właściwości fazy Ti2.8O4N otrzymanej metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej w stosunku do bakterii E. coli potwierdzają badania Zoie A. i wsp., Antimicrobial Activity in Thin Films of Pseudobrookite-Structured Titanium Oxynitride under UV Irradiation Observed for Escherichia coli (Chemical Vapor Deposition, DOI: 10.1002/cvde.200904285, 2010). Z kolei właściwości antybakteryjne powłok ditlenku tytanu z dodatkiem Ag lecz wytwarzanych przez rozpylanie magnetronowe potwierdzają Jamuna-Thevi K. i wsp., Quantification of silver ion release, in vitro cytotoxicity and antibacterial properties of nanostuctured Ag doped TO2 coatings on stainless steel deposited by RF magnetron sputtering (Vacuum, 2011, 86, 235-241) oraz Hrkac T. i wsp., Huge increase of therapeutic window at a bioactive silver/titania nanocomposite coating surface compared to solution (Materials Science Engineering C, 2013, 33, 2367-75), a właściwości antybakteryjne powłok ditlenku tytanu modyfikowanego azotem potwierdzają Morikawa T. i wsp., Visible-light photocatalyst - nitrogen-doped titanium dioxide (Reascarch Report, R&D Review of Toyota CRDL, 2015, 40, 3). Z kolei Rtimi S. i wsp., TiON and TiON-Ag sputtered surfaces leading to bacterial inactivation under indoor actinic light (J Photochem Photobiol A, 2013, 256, 52-63) badali działanie antybakteryjne powłok TiON i TiON:Ag wytworzonych przez rozpylanie magnetronowe, przy czym stosowali osobne targety Ti oraz Ag i otrzymali strukturę składającą się głównie z fazy TiN i TiON oraz w niewielkim udziale TO2. Nanocząstki Ag o rozmiarze 2 nm w osnowie ceramicznej uzyskał Fischer D., Influence of substrate temperature and silverdoping on the structural and optical properties of TO2 films (Thin Solid Films, 2016, 598, 204-213) ale w powłoce wytworzonej w procesie naparowania. Inna publikacja: Zhiming Zhao i wsp., Enhanced raman scattering and photocatalytic activity of TO2 films, with embedded Ag nanoparticles deposited by magnetron sputtering (Journal of Alloys and Compounds, 2016, 679, 8893) ujawnia możliwość uzyskania, w procesie rozpylania magnetronowego, powłoki z nanocząstkami Ag o rozmiarze ok. 16 nm, a publikacja autorstwa Adochite R.C. i wsp., The influence of annealing treatments on the properties of Ag:TiO2, nanocomposite films prepared by magnetron sputtering (Applied Surface Science, 2012, 258, 4028-4034) wskazuje na uzyskanie, bezpośrednio po osadzaniu, cząstek Ag o rozmiarze ok. 5 nm.The antibacterial effect of the silver and nitrogen modified titanium dioxide coating is based on the formation of hydroxyl radicals and reactive oxygen species on the surface in the process of photocatalysis activated with UV and Vis radiation and through the Ag + ion release mechanism. From the publication of Lei Miao et al., Microstructure and bactericidal ability of photocatalytic TO2 thin films prepared by rf helicon magnetron sputtering, (Applied Surface Science, 2004, 238, 125-131) and JamunaThevi K. et al. Quantification of silver ion release, in vitro cytotoxicity and antibacterial properties of nanostuctured Ag doped TiO2 coatings on stainless steel deposited by RF magnetron sputtering, (Vacuum, 2011, 86, 235-241), it is known that the photocatalytic activity of titanium dioxide depends on its polymorphic form. The anatase phase is desirable because of the greater degree of surface hydroxylation than the rutile phase. However, Navabpour P. et al., In The effect of process parameters on the structure, photocatalytic and self-cleaning properties of TO2 and Ag-TiO2 coatings deposited using reactive magnetron sputtering (Thin Solid Films, 571, 2014, 75-83) found that the TiO2: Ag coating with the microstructure consisting of the rutile phase showed no antibacterial potential, however the coating with the mixed structure - anatase and rutile phases eliminated bacteria within 12 hours without the need for light activation. The antibacterial properties of the Ti2.8O4N phase obtained by chemical vapor deposition against E. coli bacteria are confirmed by the studies of Zoie A. et al., Antimicrobial Activity in Thin Films of Pseudobrookite-Structured Titanium Oxynitride under UV Irradiation Observed for Escherichia coli (Chemical Vapor Deposition, DOI: 10.1002 / cvde.200904285, 2010). In turn, the antibacterial properties of titanium dioxide coatings with the addition of Ag but produced by magnetron sputtering are confirmed by Jamuna-Thevi K. et al., Quantification of silver ion release, in vitro cytotoxicity and antibacterial properties of nanostuctured Ag doped TO2 coatings on stainless steel deposited by RF magnetron sputtering (Vacuum, 2011, 86, 235-241) and Hrkac T. et al., Huge increase of therapeutic window at a bioactive silver / titania nanocomposite coating surface compared to solution (Materials Science Engineering C, 2013, 33, 2367-75 ), and the antibacterial properties of nitrogen-modified titanium dioxide coatings are confirmed by Morikawa T. et al., Visible-light photocatalyst - nitrogen-doped titanium dioxide (Reascarch Report, R&D Review of Toyota CRDL, 2015, 40, 3). In turn, Rtimi S. et al., TiON and TiON-Ag sputtered surfaces leading to bacterial inactivation under indoor actinic light (J Photochem Photobiol A, 2013, 256, 52-63) investigated the antibacterial effect of TiON and TiON: Ag coatings produced by spraying magnetron, where they used separate Ti and Ag targets, and they obtained a structure consisting mainly of the TiN and TiON phase and with a small share of TO2. Ag nanoparticles with a size of 2 nm in the ceramic matrix were obtained by Fischer D., Influence of substrate temperature and silverdoping on the structural and optical properties of TO2 films (Thin Solid Films, 2016, 598, 204-213) but in the coating produced in the vapor deposition process. Another publication: Zhiming Zhao et al., Enhanced raman scattering and photocatalytic activity of TO2 films, with embedded Ag nanoparticles deposited by magnetron sputtering (Journal of Alloys and Compounds, 2016, 679, 8893) reveals the possibility of obtaining a coating in the process of magnetron sputtering with Ag nanoparticles with a size of approx. 16 nm, and the publication by Adochite R.C. et al., The influence of annealing treatments on the properties of Ag: TiO2, nanocomposite films prepared by magnetron sputtering (Applied Surface Science, 2012, 258, 4028-4034) shows that, immediately after deposition, Ag particles with a size of approx. 5 nm.

Hyett G. i wsp., w publikacji The use of combinatorial chemical vapor deposition in the synthesis of Ti(3-delta)O4N with 0.06<delta<0.25: a titanium oxynitride phase isostructural to anosovite (JournalHyett G. et al., In The use of combinatorial chemical vapor deposition in the synthesis of Ti (3-delta) O4N with 0.06 <delta <0.25: a titanium oxynitride phase isostructural to anosovite (Journal

PL 240 989 B1PL 240 989 B1

American Chemical Society, 2007, 129 (50), 15541-8), zaprezentowali możliwość uzyskania fazyAmerican Chemical Society, 2007, 129 (50), 15541-8), presented the possibility of obtaining a phase

Ti2.8O4N wytworzonej w procesie chemicznego osadzania z fazy gazowej, natomiast dotychczas nie identyfikowano fazy Ti2.8O4N w powłokach ditlenku tytanu modyfikowanego srebrem i azotem w procesie reaktywnego rozpylania magnetronowego i wyżarzania. Znane jest także z opisu patentowego PL 210206 B1 rozwiązanie obejmujące sposób wytwarzania cienkiej warstwy TiO2 domieszkowanej Eu i cienka warstwa TiO2 domieszkowana Eu do stosowania w mikroelektronice i inżynierii materiałowej jako cienka warstwa nanokrystaliczna o wysokiej zdolności luminescencyjnej. Z innego opisu patentu PL 200159 B1 znany jest sposób osadzania przez rozpylanie katodowe powłoki o właściwościach fotokatalitycznych, zawierającej TiO2 częściowo wykrystalizowany w postaci anatazu na podłożu nośnym przezroczystym lub półprzezroczystym typu szkło, ceramika, tworzywo sztuczne. Rozpylanie wykonuje się na podłożu pod ciśnieniem co najmniej 2 paskali. Wynalazek obejmuje również podłoże tak pokryte, w którym wskazana wyżej powłoka stanowi ostatnią warstwę układu warstwowego cienkich warstw przeciwodblaskowych. Inny opis patentu PL 216050 B1 ujawnia sposób wytwarzania cienkiej warstwy, który polega na tym, że powierzchnię roboczą targetu wraz z domieszkami wanadu, niobu i tantalu, stanowiącego katodę, uzdatniania się, po czym w procesie rozpylania magnetronowego targetu tytanowego z domieszkami w niskociśnieniowej plazmie tlenowej nanosi się na podłoża cienką warstwę dwutlenku tytanu domieszkowaną wanadem, niobem i tantalem, przy czym łączna ilość domieszek w targecie wynosi od 7 do 30% at. Wynalazek dotyczył też cienkiej warstwy, która charakteryzuje się wysoką zdolnością skokową i odwracalną zmiany rezystancji w określonej temperaturze.Ti2.8O4N produced in the process of chemical vapor deposition, while the Ti2.8O4N phase in silver and nitrogen modified titanium dioxide coatings in the reactive magnetron sputtering and annealing process has not been identified so far. There is also known from the patent specification PL 210206 B1 a solution comprising a method for producing a thin layer of Eu-doped TiO2 and a thin layer of Eu-doped TiO2 for use in microelectronics and materials engineering as a thin nanocrystalline layer with high luminescent capacity. Another patent specification PL 200159 B1 discloses a method of depositing a photocatalytic coating by sputtering, containing TiO2 partially crystallized in the form of anatase on a transparent or translucent carrier substrate, such as glass, ceramic or plastic. The spraying shall be made on the substrate at a pressure of at least 2 Pascals. The invention also includes a substrate so coated, in which the above-mentioned coating is the last layer of a layer system of thin anti-reflective layers. Another patent specification PL 216050 B1 discloses a method for producing a thin film, which consists in the working surface of the target with the admixtures of vanadium, niobium and tantalum, which is the cathode, treatment, and then in the magnetron sputtering of the titanium target doped in a low-pressure oxygen plasma a thin layer of titanium dioxide doped with vanadium, niobium and tantalum is applied to the substrates, the total amount of impurities in the target being from 7 to 30 at%. The invention also relates to a thin film which is characterized by a high step capacity and a reversible change in resistance at a certain temperature.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu prowadzenia procesu rozpylania magnetronowego i wyżarzania, który zapewnia możliwość uzyskania powłoki ditlenku tytanu modyfikowanego srebrem i azotem o oryginalnej strukturze, która nałożona na podłoże ceramiczne, wykazywałaby bardzo dobre własności antybakteryjne lepsze od powłok ditlenku tytanu (TiO2) i ditlenku tytanu z dodatkiem srebra (TiO2:Ag).The aim of the invention is to develop a method of carrying out the magnetron sputtering and annealing process, which provides the possibility of obtaining a coating of titanium dioxide modified with silver and nitrogen with an original structure, which, when applied to a ceramic substrate, would exhibit very good antibacterial properties, better than the coatings of titanium dioxide (TiO2) and titanium dioxide with addition of silver (TiO2: Ag).

Sposób wytwarzania przeźroczystej powłoki ditlenku tytanu modyfikowanego srebrem i azotem w procesie reaktywnego rozpylania magnetronowego i wyżarzania, znamienny tym, że stanowiący katodę target z tytanu o czystości 99,7 - 99,995%, w kształcie tarczy o średnicy 25 mm z prętami Ag o czystości 99,9%, o średnicy 2 mm w ilości 3 - 4 prętów usytuowanych w nawierconych prostopadle do powierzchni targetu otworach rozmieszczonych symetrycznie co 120° dla 3 prętów lub co 90° dla 4 prętów w odległości 8,45 mm od środka targetu rozpyla się magnetronowo w czasie 30 - 40 min, w pobliżu podłoża ze szkła boro-krzemowego, które jest umieszczone równolegle do katody, w obecności mieszanki gazowej o składzie Ar: 75%±2%, O2: 23%±2% i N2: 2%±1% i pod ciśnieniem 0,4 - 0,6 Pa, a następnie powłokę wyżarza się w temperaturze 450 - 500°C w czasie 1 - 1,5 h w atmosferze azotu o czystości 99,999%.A method of producing a transparent coating of titanium dioxide modified with silver and nitrogen in the process of reactive magnetron sputtering and annealing, characterized by the fact that a target cathode made of titanium with a purity of 99.7 - 99.995%, in the shape of a disc with a diameter of 25 mm with Ag rods with a purity of 99, 9%, with a diameter of 2 mm in the amount of 3 - 4 bars located in holes drilled perpendicular to the surface of the target, symmetrically spaced every 120 ° for 3 bars or every 90 ° for 4 bars at a distance of 8.45 mm from the center of the target are magnetronized in time 30 - 40 min, near the borosilicate glass substrate, which is placed parallel to the cathode, in the presence of a gas mixture of Ar: 75% ± 2%, O2: 23% ± 2% and N2: 2% ± 1% and at a pressure of 0.4 - 0.6 Pa, and then the coating is annealed at the temperature of 450 - 500 ° C for 1 - 1.5 h in nitrogen atmosphere with a purity of 99.999%.

Korzystnie, pręty srebra umieszcza się nawierconych otworach w targecie obok strefy największej erozji tak by udział Ag wynosił 0,6±0,1% powierzchni targetu. Również korzystnie, na początku i po zakończeniu procesu osadzania powłoki z powierzchni targetu tytanowego z prętami Ag usuwano warstwę tlenków poprzez magnetronowe rozpylanie w plazmie argonowej przy gęstości mocy magnetronu 14 W/cm2 przez 20 - 30 min przy ciśnieniu w komorze próżniowej 0,4 - 0,6 Pa. Dodatkowo i korzystnie, podłoże ze szkła umieszcza się w odległości 45 - 60 mm od targetu. Ponadto, korzystnie, reaktywne rozpylanie magnetronowe prowadzi się przy zasilaniu prądem stałym przy gęstości mocy magnetronu 18±2 W/cm2.Preferably, silver rods are placed in drilled holes in the target next to the zone of greatest erosion so that the Ag content is 0.6 ± 0.1% of the target area. Also preferably, at the beginning and after the coating deposition process, the oxide layer was removed from the surface of the titanium target with Ag rods by magnetron sputtering in argon plasma at a magnetron power density of 14 W / cm 2 for 20 - 30 min at a pressure in a vacuum chamber of 0.4 - 0.6 Pa. Additionally and preferably, the glass substrate is placed 45-60mm from the target. Furthermore, it is preferred that reactive magnetron sputtering is carried out with a DC supply at a magnetron power density of 18 ± 2 W / cm 2 .

Powłoka ditlenku tytanu modyfikowanego srebrem i azotem, w której ditlenek tytanu występuje w fazie rytylu i anatazu, według istoty wynalazku, składa się z fazy: anatazu, Ti2.8O4N, rutylu i nanocząstek Ag o rozmiarze krystalitów do kilkunastu nm oraz niewielkiej objętości względnej struktury amorficznej, przy czym stężenie Ag w powłoce wynosi 3,3±3,8% at. Ustalenie struktury fazowej nastąpiło w wyniku przeprowadzonych badań XRD, dyfrakcji elektronowej SAED oraz na obrazach HRTEM.The layer of titanium dioxide modified with silver and nitrogen, in which the titanium dioxide is present in the rityl and anatase phase, according to the essence of the invention, consists of the phases: anatase, Ti2.8O4N, rutile and Ag nanoparticles with crystallite size up to several nm and a small relative volume of amorphous structure with the Ag concentration in the coating being 3.3 ± 3.8 at.%. The phase structure was determined as a result of XRD studies, SAED electron diffraction and HRTEM images.

Uzyskana sposobem według wynalazku przeźroczysta powłoka o transmitancji w przedziale 50 - 80% w zakresie widzialnym, dzięki oryginalnemu składowi fazowemu wykazuje znaczący wzrost absorbancji promieniowania widzialnego, i wyższe właściwości bakteriobójcze od i powłok ditlenku tytanu z dodatkiem srebra lub ditlenku tytanu domieszkowanego azotem. Wytworzona powłoka ditlenku tytanu modyfikowanego srebrem i azotem aktywowana promieniowaniem UV przez godzinę przed eksperymentem, po wprowadzeniu na powierzchnię bakterii i ekspozycji światłem widzialnym, wykazuje po czasie inkubacji bakterii na powłoce 3 i 5 h redukcję bakterii Staphyloccocus aureus odpowiednio o 33,7 i 45% w porównaniu do powłoki ditlenku tytanu (TO2) oraz o 12,4 i 8,2% w porównaniu do powłoki ditlenku tytanu z dodatkiem Ag (TiO2:Ag). Ponadto wykazuje działanie antybakteryjne po 24 godzinach.The transparent coating obtained by the method according to the invention, with transmittance in the range of 50-80% in the visible range, due to the original phase composition, shows a significant increase in the absorbance of visible radiation and higher bactericidal properties than titanium dioxide coatings with the addition of silver or nitrogen-doped titanium dioxide. The produced coating of titanium dioxide modified with silver and nitrogen, activated with UV radiation for an hour before the experiment, after the introduction of bacteria to the surface and exposure to visible light, shows a reduction of Staphyloccocus aureus bacteria by 33.7 and 45% in compared to the coating of titanium dioxide (TO2) and by 12.4 and 8.2% compared to the coating of titanium dioxide with the addition of Ag (TiO2: Ag). In addition, it has an antibacterial effect after 24 hours.

Claims (6)

PL 240 989 B1 P r z y k ł a d 1. W próżniowej komorze roboczej magnetronu umieszcza się stanowiący katodę target z tytanu o czystości 99,995%, o średnicy 25,4 mm i grubości 3 mm z symetrycznie rozmieszczonymi co 120° 3 prętami ze srebra (o czystości 99,9%) o średnicy 2 mm. Ze względu na różnicę szybkości rozpylania srebra i tytanu (5,7x), pręty Ag rozmieszcza się symetrycznie obok strefy największej erozji targetu w odległości 8,45 mm od środka targetu. Podłoże ze szkła boro-krzemowego - wykazującego odporność termiczną w temperaturze 500°C umieszcza się w odległości 45 mm od targetu, równolegle do niego. Następnie w komorze próżniowej uzyskuje się próżnię 5-10-6 Pa, po czym usuwa się z targetu warstwę tlenków poprzez magnetronowe rozpylanie w plazmie argonowej przy gęstości mocy magnetronu 14 W/cm2 przez ok. 20 min. Po czym oczekuje się na wytworzenie próżni 5-10-6 Pa i wprowadza się gazy Ar O2 i N2 przy udziale Ar: 75%, O2: 23% i N2: 2% (objętościowo dla warunków normalnych: p=1 at., T=25°C). Ciśnienie w komorze w trakcie procesu ustala się na poziomie około 0,55 Pa. Prędkość wzrostu powłoki gęstości mocy magnetronu 18±2 W/cm2 wynosi ok. 50 nm/min, stąd powłokę o grubości ok. 200 nm nanosi się ok. 4 min. Po osadzeniu, nośnik z naniesioną powłoką poddaje się procesowi wyżarzania w piecu grzewczym w temperaturze 500°C przez 1 godzinę w atmosferze azotu (o czystości 99,999%). Szybkość nagrzewania wynosi ok. 100°C/min. Chłodzenie przeprowadza się poza piecem grzewczym w ochronnej atmosferze. Takim sposobem uzyskuje się przeźroczystą powłokę ditlenku tytanu modyfikowanego srebrem i azotem składającą się z faz: anatazu, Ti2.8O4N, rutylu i nanocząstek Ag o rozmiarze krystalitów do kilkunastu nm oraz niewielkiej objętości względnej fazy amorficznej, przy czym stężenie Ag w powłoce wynosi 3,5±10,2% at. Powłoka posiada właściwości antybakteryjne po czasie inkubacji bakterii na powłoce 3 i 5 h uzyskano redukcję bakterii Staphyloccocus aureus odpowiednio o 33 i 45% w porównaniu do powłoki ditlenku tytanu (TO2) oraz o 12 i 8% w porównaniu do powłoki ditlenku tytanu z dodatkiem Ag (TiO2:Ag). Powłoka wykazuje działanie antybakteryjne po 24 godzinach. P r z y k ł a d 2. W próżniowej komorze roboczej magnetronu umieszcza się stanowiący katodę target tytanowy o czystości 99,7%, o średnicy 25,4 mm i grubości 3 mm z symetrycznie rozmieszczonymi co 90° 4 prętami ze srebra (o czystości 99,9%) o średnicy 2 mm. Ze względu na różnicę szybkości rozpylania srebra i tytanu (5,7x) pręty Ag rozmieszcza się symetrycznie obok strefy największej erozji targetu w odległości 8,45 mm od środka targetu. Podłoże ze szkła boro-krzemowego - wykazującego odporność termiczną w temperaturze 500°C umieszcza się w odległości 55 mm od targetu równolegle do niego. Następnie w komorze próżniowej uzyskuje się próżnię 5-106 Pa, po czym usuwa i targetu warstwę tlenków poprzez magnetronowe rozpylanie w plazmie argonowej przy mocy magnetronu 14W/cm? przez ok. 2Omiń. Po czym oczekuje się na wytworzenie próżni 5-10-6 Pa i wprowadza się gazy Ar, O2 i N2 przy udziale Ar: 75%, O2: 22% i N3: 3% (objętościowo dla warunków normalnych: p=1 at., T=25°C). Ciśnienie w komorze w trakcie procesu otrzymuje się na poziomie około 0,5 Pa. Prędkość wzrostu powłoki dla gęstości mocy magnetronu 18±2 W/cm2 wynosi ok. 50 nm/min, stąd powłokę o grubości ok. 200 nm nanosi się ok. 4 min. Po osadzeniu, powłoki poddaje się procesowi wyżarzania w temperaturze 480°C w czasie 1,5 godziny w atmosferze azotu (o czystości 99,999%). Szybkość nagrzewania wynosi ok. 100°C/min. Chłodzenie przeprowadza się poza piecem grzewczym w ochronnej atmosferze. Takim sposobem uzyskuje się przeźroczystą powłokę ditlenku tytanu modyfikowanego srebrem i azotem składającą się 2 faz: anatazu, Ti2.8O4N, rutylu i nanocząstek Ag o rozmiarze krystalitów do kilkunastu nm oraz niewielkiej objętości względnej fazy amorficznej, przy czym stężenie Ag w powłoce wynosi 3,7±0,2% at. Powłoka posiada właściwości antybakteryjne po czasie inkubacji bakterii na powłoce 3 i 5 h redukcję bakterii Staphyloccocus aureus odpowiednio o 33 i 45% w porównaniu do powłoki ditlenku tytanu (TiO2) oraz o 12 i 8% w porównaniu do powłoki ditlenku tytanu z dodatkiem Ag (TiO2:Ag). Ponadto wykazuje działanie antybakteryjne po 24 godzinach. Zastrzeżenia patentoweIn the vacuum working chamber of the magnetron, a cathode target made of titanium with a purity of 99.995%, a diameter of 25.4 mm and a thickness of 3 mm, with 3 silver bars symmetrically spaced at 120 ° 99.9%) with a diameter of 2 mm. Due to the difference in silver and titanium sputtering speed (5.7x), the Ag rods are placed symmetrically next to the zone of greatest erosion of the target at a distance of 8.45 mm from the center of the target. The borosilicate glass substrate - showing thermal resistance at a temperature of 500 ° C, is placed at a distance of 45 mm from the target, parallel to it. Then, a vacuum of 5-10-6 Pa is obtained in the vacuum chamber, and then the oxide layer is removed from the target by magnetron sputtering in argon plasma at the magnetron power density of 14 W / cm2 for approx. 20 min. Then it is expected to create a vacuum of 5-10-6 Pa and the gases Ar O2 and N2 are introduced with the proportion of Ar: 75%, O2: 23% and N2: 2% (by volume for normal conditions: p = 1 atm, T = 25 ° C). The pressure in the chamber during the process is set at about 0.55 Pa. The growth rate of the 18 ± 2 W / cm2 magnetron power density coating is approx. 50 nm / min, hence the coating with a thickness of approx. 200 nm is applied for approx. 4 min. After deposition, the coated carrier is subjected to an annealing process in a heating furnace at 500 ° C for 1 hour under nitrogen atmosphere (99.999% purity). The heating speed is approx. 100 ° C / min. Cooling takes place outside the heating furnace in a protective atmosphere. In this way, a transparent layer of titanium dioxide modified with silver and nitrogen is obtained, consisting of the phases: anatase, Ti2.8O4N, rutile and Ag nanoparticles with a crystallite size of up to several nm and a small relative volume of the amorphous phase, while the Ag concentration in the coating is 3.5 ± 10.2% at. The coating has antibacterial properties after the incubation time of the bacteria on the coating for 3 and 5 hours, the reduction of Staphyloccocus aureus bacteria was achieved by 33 and 45%, respectively, compared to the coating of titanium dioxide (TO2) and by 12 and 8% compared to the coating of titanium dioxide with the addition of Ag ( TiO2: Ag). The coating shows an antibacterial effect after 24 hours. P r x l a d 2. In the vacuum working chamber of the magnetron, a 99.7% pure cathode target, 25.4 mm in diameter and 3 mm thick, with 4 silver bars symmetrically spaced every 90 ° (99.9% purity) is placed. %) with a diameter of 2 mm. Due to the difference in the speed of silver and titanium sputtering (5.7x), the Ag rods are placed symmetrically next to the zone of greatest erosion of the target at a distance of 8.45 mm from the center of the target. The borosilicate glass substrate - showing thermal resistance at a temperature of 500 ° C, is placed at a distance of 55 mm from the target parallel to it. Then a vacuum of 5-106 Pa is obtained in the vacuum chamber, and then the target oxide layer is removed by magnetron sputtering in argon plasma with a magnetron power of 14W / cm? for approx. 2 Avoid. Then it is expected to create a vacuum of 5-10-6 Pa and the gases Ar, O2 and N2 are introduced with the proportion of Ar: 75%, O2: 22% and N3: 3% (by volume for normal conditions: p = 1 atm, T = 25 ° C). The pressure in the chamber during the process is obtained at the level of about 0.5 Pa. The coating growth rate for the magnetron power density 18 ± 2 W / cm2 is approx. 50 nm / min, hence the coating with a thickness of approx. 200 nm is applied for approx. 4 min. After deposition, the coatings are subjected to an annealing process at the temperature of 480 ° C for 1.5 hours under nitrogen atmosphere (99.999% purity). The heating speed is approx. 100 ° C / min. Cooling takes place outside the heating furnace in a protective atmosphere. In this way, a transparent coating of silver and nitrogen modified titanium dioxide is obtained, consisting of 2 phases: anatase, Ti2.8O4N, rutile and Ag nanoparticles with crystallite size up to several nm and a small relative volume of the amorphous phase, while the Ag concentration in the coating is 3.7 ± 0.2% at. The coating has antibacterial properties after the incubation time of bacteria on the coating for 3 and 5 hours, reduction of Staphyloccocus aureus bacteria by 33 and 45% respectively compared to the coating of titanium dioxide (TiO2) and by 12 and 8% compared to the coating of titanium dioxide with the addition of Ag (TiO2) : Ag). In addition, it has an antibacterial effect after 24 hours. Patent claims 1. Sposób wytwarzania przeźroczystej powłoki ditlenku tytanu modyfikowanego srebrem i azotem w procesie reaktywnego rozpylania magnetronowego i wyżarzania, znamienny tym, że stanowiący katodę target z tytanu o czystości 99,7 - 99,995%, w kształcie tarczy o średnicy 25 mm z prętami Ag o czystości 99,9%, o średnicy 2 mm w ilości 3 - 4 prętów usytuowanych w nawierconych prostopadle do powierzchni targetu otworach rozmieszczonych symetrycznie co 120° dla 3 prętów lub co 90° dla 4 prętów, w odległości 8,45 mm od środka targetu rozpyla 1. The method of producing a transparent coating of titanium dioxide modified with silver and nitrogen in the process of reactive magnetron sputtering and annealing, characterized by the fact that the target cathode is made of titanium with a purity of 99.7 - 99.995%, in the shape of a disc with a diameter of 25 mm with Ag rods of purity 99.9%, with a diameter of 2 mm in the amount of 3 - 4 bars located in holes drilled perpendicular to the surface of the target, arranged symmetrically every 120 ° for 3 bars or every 90 ° for 4 bars, at a distance of 8.45 mm from the center of the target sprays PL 240 989 B1 się magnetronowo w czasie 30 - 40 min, w pobliżu podłoża ze szkła boro-krzemowego, które jest umieszczone równolegle do katody, w obecności mieszanki gazowej o składzie Ar: 75%±2%, O2: 23%±2% i N2: 2%±1% i pod ciśnieniem 0,4 - 0,6 Pa, a następnie powłokę wyżarza się w temperaturze 450 - 500°C w czasie 1 - 1,5 h w atmosferze azotu o czystości 99,999%.PL 240 989 B1 is magnetronized for 30-40 min, near the borosilicate glass substrate, which is placed parallel to the cathode, in the presence of a gas mixture of Ar: 75% ± 2%, O2: 23% ± 2% and N2: 2% ± 1% and at a pressure of 0.4-0.6 Pa, and then the coating is annealed at the temperature of 450 - 500 ° C for 1 - 1.5 hours in a nitrogen atmosphere with a purity of 99.999%. 2. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że pręty srebra umieszcza się symetrycznie w nawierconych otworach w targecie tytanowym, tak by udział Ag wynosił 0,6±0,1% powierzchni targetu.2. The method according to p. The method of claim 1, wherein the silver rods are placed symmetrically in drilled holes in the titanium target such that the Ag content is 0.6 ± 0.1% of the target area. 3. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że na początku i po zakończeniu procesu osadzania powłoki z powierzchni targetu tytanowego z prętami Ag usuwa się warstwę tlenków poprzez magnetronowe rozpylanie w plazmie argonowej przy gęstości mocy magnetronu 14±2 W/cm2 i ciśnieniu w komorze próżniowej 0,4 - 0,6 Pa przez 20 - 30 min.3. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that at the beginning and after the coating deposition process, the oxide layer is removed from the surface of the titanium target with Ag rods by magnetron sputtering in argon plasma at a magnetron power density of 14 ± 2 W / cm 2 and a vacuum chamber pressure of 0.4 - 0.6 Pa for 20 - 30 min. 4. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że podłoże ze szkła umieszcza się w odległości 45 - 60 mm od targetu.4. The method according to p. The method of claim 1, wherein the glass substrate is positioned at a distance of 45-60 mm from the target. 5. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że reaktywne rozpylanie magnetronowe prowadzi się przy zasilaniu prądem stałym przy mocy 18±2 W/cm2.5. The method according to p. The method of claim 1, wherein the reactive magnetron sputtering is carried out with a DC power supply at a power of 18 ± 2 W / cm 2 . 6. Powłoka ditlenku tytanu modyfikowanego srebrem i azotem, w której ditlenek tytanu występuje w dwóch odmianach polimorficznych tj. rutylu i anatazu, znamienna tym, że składa się z fazy rutylu w ilości 38 - 39% obj., fazy anatazu w ilości 19 - 22% obj., fazy Ti2.8O4N w ilości 32 - 35% obj., struktury amorficznej w ilości 7 - 8% obj. oraz nanocząstek Ag przy czym stężenie Ag w powłoce wynosi 3,5 - 3,8% at., a rozmiar krystalitów poszczególnych faz wynosił nie więcej niż 20 nm.6. The coating of titanium dioxide modified with silver and nitrogen, in which the titanium dioxide occurs in two polymorphs, i.e. rutile and anatase, characterized in that it consists of a rutile phase in the amount of 38 - 39 vol.%, Anatase phase in the amount of 19 - 22 % vol., Ti2.8O4N phase in the amount of 32 - 35 vol.%, amorphous structure in the amount of 7 - 8 vol.%. and Ag nanoparticles, the Ag concentration in the coating being 3.5-3.8 at.%, and the crystallite size of the individual phases is not more than 20 nm.
PL426051A 2018-06-25 2018-06-25 Method of preparation of a silver and nitrogen modified titanium dioxide coating and a coating obtained thereby PL240989B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL426051A PL240989B1 (en) 2018-06-25 2018-06-25 Method of preparation of a silver and nitrogen modified titanium dioxide coating and a coating obtained thereby

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL426051A PL240989B1 (en) 2018-06-25 2018-06-25 Method of preparation of a silver and nitrogen modified titanium dioxide coating and a coating obtained thereby

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL426051A1 PL426051A1 (en) 2020-01-02
PL240989B1 true PL240989B1 (en) 2022-07-11

Family

ID=69160868

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL426051A PL240989B1 (en) 2018-06-25 2018-06-25 Method of preparation of a silver and nitrogen modified titanium dioxide coating and a coating obtained thereby

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL240989B1 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
PL426051A1 (en) 2020-01-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Cao et al. Highly antibacterial activity of N-doped TiO2 thin films coated on stainless steel brackets under visible light irradiation
US20050003019A1 (en) Ionic plasma deposition of anti-microbial surfaces and the anti-microbial surfaces resulting therefrom
US10968508B2 (en) Method of fabricating hydrophilic-hydrophobic transformable composite film
JP2004500240A (en) Substrate with photocatalytic film and method for producing the same
EP1965974A1 (en) Antimicrobial films
WO2014112345A1 (en) Base with antiviral thin film
Javid et al. Photocatalytic antibacterial study of N-doped TiO2 thin films synthesized by ICP assisted plasma sputtering method
Mihut et al. Antibacterial effectiveness of metallic nanoparticles deposited on water filter paper by magnetron sputtering
Fu et al. Sol–gel derived Ag-containing TiO2 films on surface roughened biomedical NiTi alloy
WO2013038705A1 (en) Substrate having antiviral thin film
Belgroune et al. Bacterial inactivation on sputtered TiOMoN and TiOMoN-Ag thin films under solar simulated light
WO2006034739A2 (en) Method for vacuum-coating with a photo-semiconducting layer and use of said method
JP2000096212A (en) Photocatalyst film coated member and its production
PL240989B1 (en) Method of preparation of a silver and nitrogen modified titanium dioxide coating and a coating obtained thereby
Cavaliere et al. Antimicrobial nanostructured coating
JP2003311157A (en) Metal oxide photocatalytic body and manufacturing method therefor
CA3128998C (en) The manufacturing process of antibacterial, self-cleaning, and wear-resistant hybrid coatings on glazed ceramic substrates
Franco et al. Phase transformation of TiO2 thin films in function bias voltage
Mutter et al. Synthesis and characterization of TiO2: Al thin films for bacteria resistance in the implanted dental
Tsao Effects of different electrolytes on microstructure and antibacterial properties of microarc oxidized coatings of CP-Ti
US20200392616A1 (en) THIN FILMS OF NICKEL-COPPER BINARY OXYNITRIDE (NICUOxNy) AND THE CONDITIONS FOR THE PRODUCTION THEREOF
JP4620844B2 (en) Metal plate with photocatalytic activity
Zhao et al. Bactericidal properties of silver implanted pyrolytic carbon
Supriadi et al. Formation of TiO2 Thin Film on Antibacterial Metal Injection Molding Stainless Steel Orthodontic Bracket 17-4 PH Using Physical Vapor Deposition Method
RU2799364C1 (en) Method for obtaining an antibacterial coating on the surface of alloys based on titanium for medical purposes