Russian Journal of Inorganic ChemistryRussian Journal of Inorganic ChemistryЖурнал неорганической химии0044-457X3034-560XThe Russian Academy of Sciences69789110.7868/S3034560X25090115НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И НАНОМАТЕРИАЛЫResearch ArticleGrowth characteristics, phase composition and optical properties of Ti–Sc–O thin films synthesized by atomic layer depositionХАРАКТЕРИСТИКИ РОСТА, ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТОНКИХ ПЛЕНОК Ti–Sc–O, СИНТЕЗИРОВАННЫХ МЕТОДОМ АТОМНО-СЛОЕВОГО ОСАЖДЕНИЯPetukhovaD. EПетуховаД. Еpetukhova@niic.nsc.ruKorolkovI. VКорольковИ. ВSaraevA. AСараевА. АLebedevM. SЛебедевМ. СNikolaev Institute of Inorganic Chemistry of SB RASИнститут неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАНBoreskov Institute of Catalysis of SB RASИнститут катализа им. Г.К. Борескова СО РАН15092025709VOL 70, NO9 (2025)ТОМ 70, №9 (2025)1188120005122025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://transsyst.ru/0044-457X/article/view/697891

Ti–Sc–O thin films were synthesized at 300°C by atomic layer deposition (ALD) via alternating between the reaction cycles with metal precursors and H2O as co-reactant. By varying the cycle ratio, the materials of [Sc]/([Ti] + [Sc]) = 13, 25, 44, 64, 82% were obtained. The films were examined via spectral and single wave null ellipsometry, X-ray photoelectron spectroscopy, scanning electron microscopy and X-ray diffraction. The formation of the material was demonstrated to be substrate-inhibited and to occur within the “temperature window” of ALD. As a result of Ti2p and Sc2p XPS spectra analysis, the oxidation states of the metals are Ti4+ and Sc3+. At low Sc concentrations (up to [Sc]/([Ti] + [Sc]) = 25%) the film crystallization into anatase phase observed for individual TiO2 film is suppressed. In the range of [Sc]/([Ti] + [Sc]) = 44–100% the materials of various cubic crystal structure types are formed: with the increase of scandium concentration the structure changes from disordered fluorite Sc4Ti3O12 to cubic Sc2O3-based solid solution. The refractive indices n(E), extinction coefficients k(E) and optical bandgap values are well described by the Tauc-Lorentz model. They vary between the corresponding parameters of the individual oxides depending on the composition, which is relevant for current problems of optics, photonics, solar energy and photocatalysis.

Тонкие пленки Ti–Sc–O синтезированы при 300°C методом атомно-слоевого осаждения (АСО) посредством чередования циклов с реагентами TiCl4, Sc(MeСp)3 и H2O. Путем варьирования соотношения циклов получены материалы с отношением [Sc]/([Ti] + [Sc]) = 13, 25, 44, 64, 82%. Пленки охарактеризованы методами эллипсометрии, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, сканирующей электронной микроскопии и рентгеновской дифракции. Рост пленок реализуется в пределах “температурного окна” АСО и является поверхностно-ингибированным. Подтверждено преобладание состояний Ti4+ и Sc3+ в составе оксидных материалов. Низкие концентрации Sc (до [Sc]/([Ti] + [Sc]) = 25%) подавляют формирование фазы анатаза, наблюдаемой для индивидуального TiO2. В диапазоне [Sc]/([Ti] + [Sc]) = 44–100% образуются материалы с кубической решеткой: с увеличением содержания скандия происходит переход от разупорядоченного флюорита Sc4Ti3O12 к твердому раствору на основе кубического Sc2O3. Показатель преломления n(E), коэффициент поглощения k(E) и ширина запрещенной зоны E g пленок Ti–Sc–O хорошо описываются в рамках модели с резким краем поглощения и варьируют между характеристиками TiO2 и Sc2O3 в зависимости от состава, что актуально для прикладных задач оптики, фотоники, солнечной энергетики и фотокатализа.

atomic layer depositionthin filmsTi–Sc–OellipsometryX-ray diffractionX-ray photoelectron spectroscopyатомно-слоевое осаждениетонкие пленкиэллипсометриярентгеновская дифракциярентгеновская фотоэлектронная спектроскопияРабота выполнена в рамках государственных заданий в области фундаментальных научных исследований (проекты № 125021001790-0 и 121031700313-8). РФЭС-анализ исследованных пленок проведен при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках государственного задания Института катализа СО РАН (проект FWUR-2024-0032).Trubelja M.F., Stubican V.S. // J. Am. Ceram. Soc. 1991. V. 74. № 10. P. 2489. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1991.tb06790.xZaslavskii A.M., Zverin A.V., Melnikov A.V. // Phys. Status Solidi A. 1992. V. 130. № 1. P. 109. https://doi.org/10.1002/pssa.2211300113Shlyakhtina A.V., Belov D.A., Stefanovich S.Yu. et al. // Mater. Res. Bull. 2011. V. 46. P. 512. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2011.01.001Park M.H., Lee D.H., Yang K. et al. // J. Mater. Chem. C. 2020. V. 8. P. 10526. https://doi.org/10.1039/D0TC01695KШляхтина А.В. // Кристаллография. 2013. Т. 58. № 4. С. 545.Keller K., Khramenkova E.V., Slabov V. et al. // Coatings. 2019. V. 9. № 2. P. 78. https://doi.org/10.3390/coatings9020078Kozhevnikova N.S., Ulyanova E.S., Shalaeva E.V. et al. // J. Mol. Liq. 2019. V. 284. P. 29. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2019.03.163Tomiyama K., Kobayashi Y., Tsuda M., Higuchi T. // Jpn. J. Appl. Phys. 2011. V. 50. № 6R. P. 065502. https://doi.org/10.1143/JJAP.50.065502Ляшенко Л.П., Щербакова Л.Г., Белов Д.А., Кнотько А.В. // Неорган. материалы. 2009. Т. 45. № 5. С. 599.Muñoz I.C., Brown F., Durán-Muñoz H. et al. // Appl. Radiat. Isot. 2014. V. 90. P. 58. https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2014.03.011Zhang J., Patel M.K., Wang Y.Q. et al. // J. Nucl. Mater. 2015. V. 459. P. 265. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2015.01.057Cavalheiro A.A., Bruno J.C., Saeki M.J. et al. // J. Mater. Sci. 2008. V. 43. P. 602. https://doi.org/10.1007/s10853-007-1743-2Bian L., Song M., Zhou T. et al. // J. Rare Earths. 2009. V. 27. № 3. P. 461. https://doi.org/10.1016/S1002-0721(08)60270-7Zhang D.R., Liu H.L., Han Sh.Y., Piao W.X. // J. Ind. Eng. Chem. 2013. V.19. P.1838. http://dx.doi.org/10.1016/j.jiec.2013.02.029Shang Q.-H., Liu J.-N., Lang W.-Zh. et al. // Ind. Eng. Chem. Res. 2021. V. 60. P. 12811. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.1c01568Ляшенко Л.П., Колбанев И.В., Щербакова Л.Г. и др. // Неорган. материалы. 2004. Т. 40. № 8. С. 955.Ляшенко Л.П., Щербакова Л.Г., Кулик Э.С. и др. // Неорган. материалы. 2015. Т. 51. № 2. С. 199.Ляшенко Л.П., Щербакова Л.Г., Карелин А.И. и др. // Неорган. материалы. 2016. Т. 52. № 5. С. 530.Shafi Sh.P., Hernden B.C., Cranswick L.M.D. et al. // Inorg. Chem. 2012. V. 51. P. 1269. https://doi.org/10.1021/ic201034xKolitsch U., Tillimans E. // Acta Crystallogr. Sect. E. 2003. V. 59. P. i36. http://dx.doi.org/10.1107/S1600536803003544Bai H., He P., Chen J. et al. // Appl. Surf. Sci. 2017. V. 401. P. 218. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.01.019Zenou V.Y., Bakardjieva S. // Mater. Charact. 2018. V. 144. P. 287. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2018.07.022Latini A., Cavallo C., Aldibaja F. K. et al. // J. Phys. Chem. C. 2013. V. 117. № 48. P. 25276. https://doi.org/10.1021/jp409813cHirano M., Date K. // J. Am. Ceram. Soc. 2005. V. 88. P. 2604. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2005.00447.xKawamura K., Sekine M., Nishioka D. et al. // J. Phys. Soc. Jpn. 2019. V. 88. ID 054711. https://doi.org/10.7566/JPSJ.88.054711Кольцов С.И., Алесковский В.Б. // Журн. прикл. химии. 1967. Т. 40. № 4. С. 907.Кольцов С.И. // Журн. прикл. химии. 1969. Т. 42. № 5. С. 1023.Свешникова Г.В., Кольцов С.И., Алесковский В.Б. // Журн. прикл. химии. 1970. Т. 43. № 2. С. 430.Malygin A.A., Drozd V.E., Malkov A.A., Smirnov V.M. // Chem. Vap. Deposition. 2015. V. 21. P. 216. https://doi.org/10.1002/cvde.201502013Соснов Е.А., Малков А.А., Малыгин А.А. // Журн. прикл. химии. 2021. Т. 94. № 8. С. 967.Li J., Chai G., Wang X. // Int. J. Extrem. Manuf. 2023. V. 5. № 3. P. 032003. https://doi.org/10.1088/2631-7990/acd88eMackus A.J.M., Schneider J.R., MacIsaac C. et al. // Chem. Mater. 2019. V 31. № 4. P. 1142. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.8b02878Oke J.A., Jen T.-C. // J. Mater. Res. Technol. 2022. V. 21. P. 2481. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.10.064Xu H., Akbari M.K., Kumar S. et al. // Sens. Actuators, B. Chem. 2021. V. 331. P. 129403. https://doi.org/10.1016/j.snb.2020.129403Lebedev M.S., Kruchinin V.N., Afonin M.Yu. et al. // Appl. Surf. Sci. 2019. V. 478. P. 690. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.01.288Han J.H., Nyns L., Delabie A. et al. // Chem. Mater. 2014. V. 26. № 3. P. 1404. https://doi.org/10.1021/cm403390jNyns L., Lisoni J.G., Bosch G.V. den et al. // Phys. Status Solidi A. 2013. V. 211. P. 409. https://doi.org/10.1002/pssa.201330080Haukka S., Lakomaa E.L., Jylha O. et al. // Langmuir. 1993. V. 9. № 12. P. 3497. https://doi.org/10.1021/la00036a026Cheng H.-E., Chen C.-C. // J. Electrochem. Soc. 2008. V. 155. P. D604. https://doi.org/10.1149/1.2952659Хижняк Е.А., Шаяпов В.Р., Корольков И.В. и др. // Журн. структур. химии. 2025. Т. 66. № 2. С. 140578.Lakomaa E.-L., Haukka S., Suntola T. // Appl. Surf. Sci. 1992. V. 60–61. P. 742. https://doi.org/10.1016/0169-4332(92)90506-SHaukka S., Lakomaa E.-L., Suntola T. // Thin Solid Films. 1993. V. 225. P. 280. https://doi.org/10.1016/0040-6090(93)90170-TRitala M., Leskelä M., Nykänen E. et al. // Thin Solid Films. 1993. V. 225. P. 288. https://doi.org/10.1016/0040-6090(93)90172-LAarik J., Aidla A., Mändar H. et al. // Appl. Surf. Sci. 2001. V. 172. P. 148. https://doi.org/10.1016/S0169-4332(00)00842-4Finnie K.S., Triani G., Short K.T. et al. // Thin Solid Films. 2003. V. 440. № 1. P. 109. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(03)00818-6Mitchell D.R.G., Attard D.J., Triani G. // Thin Solid Films. 2003. V. 441. № 1. P. 85. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(03)00877-0Chiappim W., Testoni G.E., Lima J.S.B. et al. // Braz. J. Phys. 2016. V. 46. P. 56. https://doi.org/10.1007/s13538-015-0383-2Plakhotnyuk M.M., Schüler N., Shkodin E. et al. // Jpn. J. Appl. Phys. 2017. V. 56. № 8S2. ID 08MA11. https://doi.org/10.7567/JJAP.56.08MA11Atuchin V.V., Lebedev M.S., Korolkov I.V. et al. // J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 2019. V. 30. № 1. P. 812. https://doi.org/10.1007/s10854-018-0351-zAarik J., Aidla A., Kiisler A.-A. et al. // Thin Solid Films. 1997. V. 305. № 1. P. 270. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(97)00135-1Петухова Д.Е., Викулова Е.С., Корольков И.В. и др. // Журн. структур. химии. 2023. Т. 64. № 3. С. 107605.Hansen P.-A., Fjellvåg H., Finstad T. G. et al. // J. Vac. Sci. Technol., A. 2015. V. 34. № 1. P. 01A130. https://doi.org/10.1116/1.4936389Aaltonen T., Alnes M., Nilsen O. et al. // J. Mater. Chem. 2010. V. 20. № 14. P. 2877. https://doi.org/10.1039/B923490JKern W. Overview and Evolution of Silicon Wafer Cleaning Technology. In: Handbook of Silicon Wafer Cleaning Technology (Third Edition) / Eds. Reinhardt K.A., Kern W. William Andrew Publishing, 2018. P. 3–85. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-51084-4.00001-0Blom R., Hammel A., Haaland A. et al. // J. Organomet. Chem. 1993. V. 462. № 1. P. 131. https://doi.org/10.1016/0022-328X(93)83350-5Humlíček J. Polarized Light and Ellipsometry. In: Handbook of Ellipsometry / Eds. Tompkins H.G., Irene E.A. Norwich, N.-Y.: William Andrew Publishing, 2005. P. 91.Holmes D.A. // Appl. Opt. 1967. V. 6. № 1. P. 168. https://doi.org/10.1364/AO.6.000168Collins R.W., Ferlauto A.S. Optical Physics of Materials. In: Handbook of Ellipsometry / Eds. Tompkins H.G., Irene E.A. Norwich, N.-Y.: William Andrew Publishing, 2005. Р. 93–235.Jellison G.E. Data Analysis for Spectroscopic Ellipsometry. In: Handbook of Ellipsometry / Eds. Tompkins H.G., Irene E.A. Norwich, N.-Y.: William Andrew Publishing, 2005. P. 96.Jellison G.E. Jr., Modine F.A. // Appl. Phys. Lett. 1996. V. 69. P. 3. https://doi.org/10.1063/1.118064Chen H., Shen W.Z. // Eur. Phys. J., B. 2005. V. 43. P. 7. https://doi.org/10.1140/epjb/e2005-00083-9Powder Diffraction File, release 2022, International Centre for Diffraction Data, Pennsylvania, USA.Лучинский Г.П. // Журн. физ. химии. 1966. Т. 40. С. 593.Петухова Д.Е., Сартакова А.В., Сухих Т.С. и др. // Журн. структур. химии. 2023. Т. 64. № 12. P. 123233.Nazarov D., Kozlova L., Rudakova A. et al. // Coatings. 2023. V. 13. P. 960. https://doi.org/10.3390/coatings13050960Puurunen R.L. // J. Appl. Phys. 2005. V. 97. № 12. P. 121301. https://doi.org/10.1063/1.1940727Han J.H., Nyns L., Delabie A. et al. // Chem. Mater. 2014. V. 26. № 3. P. 1404. https://doi.org/10.1021/cm403390jGhosh M.K., Choi C.H. // Chem. Phys. Lett. 2008. V. 457. № 1. P. 69. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2008.03.053Hu Z., Turner H. // J. Phys. Chem. B. 2006. V. 110. № 16. P. 8337. https://doi.org/10.1021/jp060367bМаксумова А.М., Абдулагатов И.М., Палчаев Д.К. и др. // Журн. физ. химии. 2022. Т. 96. C. 1490.Максумова А.М., Бодалев И.С., Абдулагатов И.М. и др. // Журн. неорган. химии. 2024. Т. 69. № 1. С. 110.Sikervar V. Scandium(III) Chloride. In Encyclopedia of Reagents for Organic Synthesis / John Wiley & Sons Ltd., New York, 2001. https://doi.org/10.1002/047084289X.rn02386Klesko J.P., Rahman R., Dangerfield A. et al. // Chem. Mater. 2018. V. 30. № 3. P. 970. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.7b04790Luan Z., Maes E.M., Heide P.A.W., Zhao D. et al. // Chem. Mater. 1999. V. 11. № 12. P. 3680. https://doi.org/10.1021/cm9905141Hasegawa Y., Ayame A. // Catal. Today. 2001. V. 71. № 1. P. 177. https://doi.org/10.1016/S0920-5861(01)00428-XMoulder J.F. Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy: A Reference Book of Standard Spectra for Identification and Interpretation of XPS Data. Physical Electronics Division / Perkin-Elmer Corporation, Eden Prairie, 1992. P. 261.Иоффе М.С., Моравская Т.М., Ляшенко Л.П. и др. // Журн. структур. химии. 1980. Т. 21. № 2. С. 63.Rich B.B., Etinger-Geller Y., Ciatto G. et al. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2021. V. 23. P. 6600. https://doi.org/10.1039/D1CP00341KBiesinger M.C., Lau L.W.M., Gerson A.R. et al. // Appl. Surf. Sci. 2010. V. 257. № 3. P. 887. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2010.07.086Chen S., Xie K., Dong D. et al. // J. Power Sources. 2015. V. 274. P. 718. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.10.103Kaichev V.V., Ivanova E.V., Zamoryanskaya M.V. et al. // Eur. Phys. J. Appl. Phys. 2013. V. 64. № 1. P. 10302. https://doi.org/10.1051/epjap/2013130005Каичев В.В., Дубинин Ю.В., Смирнова Т.П. и др. // Журн. структур. химии. 2011. Т. 52. № 3. С. 495.Kyeremateng N.A., Vacandio F., Sougrati M.-T. et al. // J. Power Sources. 2013. V. 224. P. 269. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.09.104Галахов Ф.Я. Диаграммы состояния систем тугоплавких оксидов / Справочник. Л.: Наука, 1987. 287 с.Kang Y.S., Zhang D.R. // Int. J. Nanosci. V. 5. 2006. № 2–3. P. 351. https://doi.org/10.1142/S0219581X06004462Putkonen M., Nieminen M., Niinistö J. et al. // Chem. Mater. 2001. V. 13. № 12. P. 4701. https://doi.org/10.1021/cm011138zPetukhova D.E., Kichay V.N., Lebedev M.S. // IEEE 24th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM). 2023. P. 40.Швец В.А., Кручинин В.Н., Гриценко В.А. // Опт. спектроскопия. 2017. Т. 123. № 5. С. 728.Belosludtsev A., Juškevičius K., Ceizaris L. et al. // Appl. Surf. Sci. 2018. V. 427. P. 312. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.08.068Liu M., Zhang L.D., He G. et al. // J. Appl. Phys. 2010. V. 108. P. 024102. https://doi.org/10.1063/1.3462467Lebedev M.S., Kruchinin V.N., Lebedeva M.I. et al. // Thin Solid Films. 2017. V. 642. P. 103. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2017.09.014Etafa Tasisa Y., Kumar Sarma T., Krishnaraj R. et al. // Results Chem. 2024. V. 11. P. 101850. https://doi.org/10.1016/j.rechem.2024.101850Doyan A., Susilawati, Mahardika I.K. et al. // J. Phys.: Conf. Ser. 2022. V. 2165. P. 012009. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2165/1/012009Liu G., Jin Y., He H. et al. // Thin Solid Films. 2010. V. 518. № 10. P. 2920. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2009.11.004Xiong K., Zheng Q., Cheng Z. et al. // Eur. Phys. J., B. 2020. V. 93. № 201. P. 201. https://doi.org/10.1140/epjb/e2020-10368-x