A thermal atomic layer deposition process with precursors tris(trimethylsilyl) phosphate (TTMSP), titanium tetrachloride (TiCl4), and water was used with various pulse sequences in order to deposit titanium phosphate onto bundles of carbon fibers (diameter of one filament = 7 μm, 6000 filaments per bundle) and flat silicon substrates. Pulse sequence 1, TTMSP/N2/TiCl4/N2, which comprises no water, yields no significant deposition. Pulse sequence 2, TTMSP/N2/H2O/N2/TiCl4/N2, which comprises a water pulse, yields a mixed phosphate/oxide coating and shows a self-limiting character at 200 °C with a growth per cycle of 0.22 nm cycle−1. Wet chemical analysis of the coating revealed a ratio of Ti:P between 3:1 and 2:1 in reasonable agreement with the composition Ti2.4P1O7 obtained from X-ray photoelectron spectroscopy. Thus, the deposited material can approximately be described as a mixture of Ti¾PO4 and TiO2 in a molar ratio of 1:1.5. The coating shifts the temperature of the onset of oxidation—3% weight loss in thermogravimetry—of the carbon fibers from 630 °C (uncoated C-fiber) to 750 °C (with the titanium phosphate coating).

1.
J.
Hämäläinen
,
J.
Holopainen
,
F.
Munnik
,
T.
Hatanpää
,
M.
Heikkilä
,
M.
Ritala
, and
M.
Leskelä
,
J. Electrochem. Soc.
159
,
A259
(
2012
).
2.
B.
Wang
,
J.
Liu
,
Q.
Sun
,
R.
Li
,
T.-K.
Sham
, and
X.
Sun
,
Nanotechnology
25
,
504007
(
2014
).
3.
B.
Wang
,
J.
Liu
,
Q.
Sun
,
B.
Xiao
,
R.
Li
,
T.-K.
Sham
, and
X.
Sun
,
Adv. Mater. Interfaces
3
,
1600369
(
2016
).
4.
B.
Put
,
M. J.
Mees
,
N.
Hornsveld
,
A.
Sepulveda
,
P. M.
Vereecken
,
W. M. M.
Kessels
, and
M.
Creatore
,
ECS Trans.
75
,
61
(
2017
).
5.
T.
Dobbelaere
,
A. K.
Roy
,
P.
Vereecken
, and
C.
Detavernier
,
Chem. Mater.
26
, 6863, (
2014
).
6.
N.
Hornsveld
,
W. M. M.
Kessels
, and
M.
Creatore
,
J. Phys. Chem. C
124
,
5495
(
2020
).
7.
S.
Knohl
, A. K. Roy, R. Lungwitz, S. Spange, T. Mäder, D. J. Nestler, B. Wielage, S. Schulze, M. Hietschold, H. Wulff, C. A. Helm, F. Seidel, D. R. T. Zahn, and W. A. Goedel,
ACS Appl. Mater. Interfaces
5
,
6161
(
2013
).
8.
J.
Liu
,
Y.
Tang
,
B.
Xiao
,
T.-K.
Sham
,
R.
Li
, and
X.
Sun
,
RSC Adv.
3
,
4492
(
2013
).
9.
M.
Nieminen
,
L.
Niinistö
, and
R.
Lappalainen
,
Mikrochim. Acta
119
,
13
(
1995
).
10.
H.
Wei
,
H.
Jianfeng
,
C.
Liyun
,
Y.
Lixiong
,
O.
Haibo
,
Y.
Liuqing
,
F.
Jie
, and
Z.
Yongliang
,
J. Alloys Compd.
589
,
153
(
2014
).
11.
B.
Xiao
, B. Wang, J. Liu, K. Kaliyappan, Q. Sun, Y. Liu, G. Dadheech, M.P. Balogh, L. Yang, T.-K. Sham, R. Li, M. Cai, and X. Sun
Nano Energy
34
,
120
(
2017
).
12.
J.
Hämäläinen
,
J.
Holopainen
,
F.
Munnik
,
M.
Heikkilä
,
M.
Ritala
, and
M.
Leskelä
,
J. Phys. Chem. C
116
,
5920
(
2012
).
13.
L.
Henderick
,
H.
Hamed
,
F.
Mattelaer
,
M.
Minjauw
,
J.
Meersschaut
,
J.
Dendooven
,
M.
Safari
,
P.
Vereecken
, and
C.
Detavernier
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
12
,
25949
(
2020
).
14.
Y.
Bao
and
P. S.
Nicholson
,
J. Eur. Ceram. Soc.
28
,
3041
(
2008
).
15.
T.
Dobbelaere
,
F.
Mattelaer
,
A. K.
Roy
,
P.
Vereecken
, and
C.
Detavernier
,
J. Mater. Chem. A
5
,
330
(
2017
).
16.
S.
Sambasivan
and
K.
Ann
, U.S. patent 6461415 (
8 October 2002
).
17.
S.
Sambasivan
,
K. A.
Steiner
, and
K. K.
Rangan
, U.S. patent 7311944 (
25 December 2007
).
18.
M.
Tiitta
,
E.
Nykänen
,
P.
Soininen
,
L.
Niinistö
,
M.
Leskelä
, and
R.
Lappalainen
,
Mater. Res. Bull.
33
,
1315
(
1998
).
19.
H. H.
Sønsteby
,
E.
Østreng
,
H.
Fjellvåg
, and
O.
Nilsen
,
Chem. Vapor Depos.
20
,
269
(
2014
).
20.
T.
Dobbelaere
,
F.
Mattelaer
,
P. M.
Vereecken
, and
C.
Detavernier
,
J. Vac. Sci. Technol. A
35
,
041513
(
2017
).
21.
V.
Di Palma
,
H. C. M.
Knoops
,
W. M. M.
(Erwin) Kessels
, and
M.
Creatore
,
J. Vac. Sci. Technol. A
38
,
022416
(
2020
).
22.
J.
Su
,
T.
Tsuruoka
,
T.
Tsujita
,
Y.
Nishitani
,
K.
Nakura
, and
K.
Terabe
,
Chem. Mater.
31
,
5566
(
2019
).
23.
A.
Brennhagen
,
K. B.
Kvamme
,
K. S. S.
Sverdlilje
, and
O.
Nilsen
,
Solid State Ionics
353
,
115377
(
2020
).
24.
X.
Ren
,
K.
Turcheniuk
,
D.
Lewis
,
W.
Fu
,
A.
Magasinski
,
M.
Zhang
, and
G.
Yushin
,
Mater. Today Energy
8
,
143
(
2018
).
25.
J.
Liu
,
B.
Xiao
,
M. N.
Banis
,
R.
Li
,
T.-K.
Sham
, and
X.
Sun
,
Electrochim. Acta
162
,
275
(
2015
).
26.
M. N.
Getz
,
P.-A.
Hansen
,
H.
Fjellvåg
, and
O.
Nilsen
,
RSC Adv.
7
,
8051
(
2017
).
27.
M. K.
Wiedmann
,
D. H. K.
Jackson
,
Y. J.
Pagan-Torres
,
E.
Cho
,
J. A.
Dumesic
, and
T. F.
Kuech
,
J. Vac. Sci. Technol. A
30
,
01A134
(
2012
).
28.
T.
Dobbelaere
,
F.
Mattelaer
,
J.
Dendooven
,
P. M.
Vereecken
, and
C.
Detavernier
,
ECS Trans.
75
,
35
(
2016
).
29.
C.
Militzer
,
J.
Buchsbaum
,
V.
Dzhagan
,
D. R. T.
Zahn
,
H.
Wulff
,
C. A.
Helm
, and
W. A.
Goedel
,
Adv. Mater. Interfaces
5
,
1800423
(
2018
).
30.
L.
Henderick
, H. Hamed, F. Mattelaer, M. Minjauw, M. Nisula, J. Meersschaut, J. Dendooven, M. Safari, P. Vereecken, and C. Detavernier,
J. Power Sources
497
,
229866
(
2021
).
31.
J.
Liu
,
M. N.
Banis
,
Q.
Sun
,
A.
Lushington
,
R.
Li
,
T.-K.
Sham
, and
X.
Sun
,
Adv. Mater.
26
,
6472
(
2014
).
32.
M.
Nisula
,
Y.
Shindo
,
H.
Koga
, and
M.
Karppinen
,
Chem. Mater.
27
,
6987
(
2015
).
33.
S.
Shibata
,
J. Electrochem. Soc.
163
,
A2555
(
2016
).
34.
M.
Putkonen
,
T.
Sajavaara
,
P.
Rahkila
,
L.
Xu
,
S.
Cheng
,
L.
Niinistö
, and
H. J.
Whitlow
,
Thin Solid Films
517
,
5819
(
2009
).
35.
R. R.
Naslain
,
Compos. Part A Appl. Sci.
29
,
1145
(
1998
).
36.
R. J.
Kerans
,
R. S.
Hay
,
T. A.
Parthasarathy
, and
M. K.
Cinibulk
,
J. Am. Ceram. Soc.
85
,
2599
(
2002
).
37.
J. W.
Elam
,
D.
Routkevitch
,
P. P.
Mardilovich
, and
S. M.
George
,
Chem. Mater.
15
,
3507
(
2003
).
38.
H.
Kim
,
C.
Cabral
,
C.
Lavoie
, and
S. M.
Rossnagel
,
J. Vac. Sci. Technol. B
20
,
1321
(
2002
).
39.
S. M.
George
,
Chem. Rev.
110
,
111
(
2010
).
40.
M.
Weber
,
B.
Koonkaew
,
S.
Balme
,
I.
Utke
,
F.
Picaud
,
I.
Iatsunskyi
,
E.
Coy
,
P.
Miele
, and
M.
Bechelany
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
9
,
16669
(
2017
).
41.
R. L.
Puurunen
,
M.
Lindblad
, and
A.
Root
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
3
,
1093
(
2001
).
42.
C.
Militzer
,
S.
Knohl
,
V.
Dzhagan
,
D. R. T.
Zahn
, and
W. A.
Goedel
,
J. Vac. Sci. Technol. A
35
,
01B107
(
2017
).
43.
A. K.
Roy
, W. Baumann, I. König, G. Baumann, S. Schulze, M. Hietschold, T. Mäder, D. J. Nestler, B. Wielage, and W. A. Goedel
Anal. Bioanal. Chem.
396
,
1913
(
2010
).
44.
A. K.
Roy
,
W.
Baumann
,
S.
Schulze
,
M.
Hietschold
,
T.
Mäder
,
D. J.
Nestler
,
B.
Wielage
, and
W. A.
Goedel
,
J. Am. Ceram. Soc.
94
,
2014
(
2011
).
45.
A. K.
Roy
,
S.
Knohl
, and
W. A.
Goedel
,
J. Mater. Sci.
46
,
4812
(
2011
).
46.
Q.
Wu
,
Q.
Wan
,
Q.
Liu
,
J.
He
,
R.
Zhao
,
X.
Yang
,
F.
Wang
,
J.
Guo
, and
J.
Zhu
,
Adv. Mater. Interfaces
6
,
1900970
(
2019
).
47.
S.
Zhao
,
L.
Yan
,
X.
Tian
,
Y.
Liu
,
C.
Chen
,
Y.
Li
,
J.
Zhang
,
Y.
Song
, and
Y.
Qin
,
Nano Res.
11
,
530
(
2018
).
48.
J. C.
Spagnola
,
B.
Gong
,
S. A.
Arvidson
,
J. S.
Jur
,
S. A.
Khan
, and
G. N.
Parsons
,
J. Mater. Chem.
20
,
4213
(
2010
).
49.
J. S.
Jur
,
J. C.
Spagnola
,
K.
Lee
,
B.
Gong
,
Q.
Peng
, and
G. N.
Parsons
,
Langmuir
26
,
8239
(
2010
).
50.
B.-S.
Lee
,
W.-S.
Kim
,
D.-H.
Kim
,
H.-C.
Kim
,
S.-H.
Hong
, and
W.-R.
Yu
,
Smart Mater. Struct.
20
,
105019
(
2011
).
51.
Q.
Peng
,
X.-Y.
Sun
,
J. C.
Spagnola
,
G. K.
Hyde
,
R. J.
Spontak
, and
G. N.
Parsons
,
Nano. Lett.
7
,
719
(
2007
).
52.
S.
Cao
,
J.
Wang
, and
H.
Wang
,
Appl. Surf. Sci
367
,
190
(
2016
).
53.
C.
Militzer
,
P.
Dill
, and
W. A.
Goedel
,
J. Am. Ceram. Soc. A
100
,
5409
(
2017
).
54.
P.
Dill
,
F.
Pachel
,
C.
Militzer
,
A.
Held
,
G.
Puchas
,
S.
Knohl
,
W.
Krenkel
,
C.
Tegenkamp
, and
W. A.
Goedel
,
J. Vac. Sci. Technol. A
39
,
052406
(
2021
).
55.
G. K.
Hyde
, G. Scarel, J. C. Spagnola, Q. Peng, K. Lee, B. Gong, K. G. Roberts, K. M. Roth, C. A. Hanson, C. K. Devine, S. M. Stewart, D. Hojo, J.-S. Na, J. S. Jur, and G. N. Parsons
Langmuir
26
,
2550
(
2010
).
56.
S. E.
Atanasov
, C. J. Oldham, K. A. Slusarski, J. Taggart-Scarff, S. A. Sherman, K. J. Senecal, S. F. Filocamo, Q. P. McAllister, E. D. Wetzel, and G. N. Parsons
J. Mater. Chem. A
2
,
17371
(
2014
).
57.
V.
Di Palma
,
G.
Zafeiropoulos
,
T.
Goldsweer
,
W. M. M.
Kessels
,
M. C. M.
van de Sanden
,
M.
Creatore
, and
M. N.
Tsampas
,
Electrochem. Commun.
98
,
73
(
2019
).
58.
A. C.
Kozen
,
A. J.
Pearse
,
C.-F.
Lin
,
M.
Noked
, and
G. W.
Rubloff
,
Chem. Mater.
27
,
5324
(
2015
).
59.
J. Hämäläinen, J. Holopainen, F. Munnik, M. Heikkilä, M. Ritala, and M. Leskelä, J.
Phys. Chem. C
116, 5920 (2012).
60.
K.
Wang
,
L.
Xing
,
Y.
Zhu
,
X.
Zheng
,
D.
Cai
, and
W.
Li
,
J. Power Sources
342
,
677
(
2017
).
61.
S. S.
Epstein
,
W.
Bass
,
E.
Arnold
, and
Y.
Bishop
,
Science
168
,
584
(
1970
).
62.
E. W.
Vogel
and
M. J. M.
Nivard
,
Mutat. Res.
305
,
13
(
1994
).
63.
G.
Yan
,
X.
Li
,
Z.
Wang
,
H.
Guo
, and
C.
Wang
,
J. Power Sources
248
,
1306
(
2014
).
64.
N. N.
Sinha
,
J. C.
Burns
, and
J. R.
Dahn
,
J. Electrochem. Soc.
161
,
A1084
(
2014
).
65.
S. H.
Jang
,
J.
Mun
,
D.-K.
Kang
, and
T.
Yim
,
J. Electrochem. Sci. Technol.
8
,
162
(
2017
).
66.
A.
Garcia-Casas
,
J. J.
Aguilera-Correa
,
A.
Mediero
,
J.
Esteban
, and
A.
Jimenez-Morales
,
Colloid Suf. B
181
,
973
(
2019
).
67.
D. L.
Thorn
and
R. L.
Harlow
,
Inorg. Chem.
31
,
3917
(
1992
).
68.
B.
Clauß
, in
Ceramic Matrix Composites Fiber Reinforced Ceramics and Their Applications
, edited by
W.
Krenkel
(
Wiley-VCH
,
Weinheim
,
2008
), pp.
1
20
.
69.
A. K.
Roy
,
S.
Knohl
, and
W. A.
Goedel
,
J. Mater. Sci.
46
,
4812
(
2011
).
70.
S.
Cho
,
D.-H.
Kim
,
B.-S.
Lee
,
J.
Jung
,
W.-R.
Yu
,
S.-H.
Hong
, and
S.
Lee
,
Sens. Actuators B
162
,
300
(
2012
).
71.
M.-H.
Jung
,
Y. J.
Yun
,
M.-J.
Chu
, and
M. G.
Kang
,
Chem. Eur. J.
19
,
8543
(
2013
).
72.
I.
Donmez
,
F.
Kayaci
,
C.
Ozgit-Akgun
,
T.
Uyar
, and
N.
Biyikli
,
J. Alloys Compd.
559
,
146
(
2013
).
73.
P.
Heikkilä
,
T.
Hirvikorpi
,
H.
Hilden
,
J.
Sievänen
,
L.
Hyvärinen
,
A.
Harlin
, and
M.
Vähä-Nissi
,
J. Mater. Sci.
47
,
3607
(
2012
).
74.
G.-M.
Kim
,
S.-M.
Lee
,
G. H.
Michler
,
H.
Roggendorf
,
U.
Gösele
, and
M.
Knez
,
Chem. Mater.
20
,
3085
(
2008
).
75.
I. M.
Szilágyi
and
D.
Nagy
,
J. Phys. Conf. Ser.
559
,
012010
(
2014
).
76.
G.-M.
Kim
,
S.-M.
Lee
,
M.
Knez
, and
P.
Simon
,
Thin Solid Films
562
,
291
(
2014
).
77.
Y.
Zhong
 et al.,
RSC Adv.
5
,
37399
(
2015
).
78.
E.
Santala
,
M.
Kemell
,
M.
Leskelä
, and
M.
Ritala
,
Nanotechnology
20
,
035602
(
2009
).
79.
S.-W.
Choi
,
J. Y.
Park
,
C.
Lee
,
J. G.
Lee
, and
S. S.
Kim
,
J. Am. Ceram. Soc.
94
,
1974
(
2011
).
80.
C.
López de Dicastillo
,
C.
Patiño
,
M. J.
Galotto
,
J. L.
Palma
,
D.
Alburquenque
, and
J.
Escrig
,
Nanomaterials
8
,
128
(
2018
).
81.
M.
Putkonen
,
P.
Heikkilä
,
A. T.
Pasanen
,
H.
Rautkoski
,
L.
Svärd
,
P.
Simell
,
M.
Vähä-Nissi
, and
T.
Sajavaara
,
J. Vac. Sci. Technol. A
36
,
01A102
(
2018
).
82.
For simplicity, each precursor pulse and the subsequent purging is drawn as a single step and—deviating from the experimentally obtained composition—the stoichiometric ratio Ti:P is assumed to be 2:1. The possible reaction product Me3SiOSiMe3 is ignored. The abundant number of hydroxyl groups drawn at the bottom of pulse sequence 2 to a significant extent will condense into oxygen bridges.
83.
A. F.
Carley
,
P. R.
Chalker
,
J. C.
Riviere
, and
M. W.
Roberts
,
J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1
83
,
351
(
1987
).
84.
M. C.
Biesinger
,
L. W. M.
Lau
,
A. R.
Gerson
, and
R. St.C.
Smart
,
Appl. Surf. Sci.
257
,
887
(
2010
).
85.
S. M.
Mukhopadhayay
and
S. H.
Garofalini
,
J. Non-Cryst. Solids
126
,
202
(
1990
).
86.
Q.
Wang
,
L.
Zhong
,
J.
Sun
, and
J.
Shen
,
Chem. Mater.
17
,
3563
(
2005
).
87.
A. A. S.
Alfaya
,
Y.
Gushikem
, and
S. C.
de Castro
,
Chem. Mater.
10
,
909
(
1998
).
88.
S.
Ntais
and
A.
Siokou
,
Surf. Sci.
600
,
4216
(
2006
).
89.
C. D.
Wagner
,
L. H.
Gale
, and
R. H.
Raymond
,
Anal. Chem.
51
,
466
(
1979
).
90.
C. D.
Wagner
,
D. A.
Zatko
, and
R. H.
Raymond
,
Anal. Chem.
52
,
1445
(
1980
).
91.
D.
Leinen
,
A.
Fernández
,
J. P.
Espinós
, and
A. R.
González-Elipe
,
Surf. Interface Anal.
20
,
941
(
1993
).
92.
C. J.
Powell
,
J. Electron. Spectrosc.
185
,
1
(
2012
).
93.
J. A.
Mejías
,
V. M.
Jiménez
,
G.
Lassaletta
,
A.
Fernández
, and
J. P.
Espinós
,
J. Phys. Chem.
100
,
16255
(
1996
).
94.
DIN EN ISO 6878, 2004.
95.
DIN 52241 Teil 6, 1986.
96.
J. D.
Hunter
,
Comput. Sci. Eng.
9
,
90
(
2007
).
97.
T. A.
Caswell
, M. Droettboom, A. Lee, E. S. De Andrade, J. Hunter, T. Hoffmannd, E. Firing, J. Klymak, D. Stansby, N. Varoquaux, J. H. Nielsen, B. Root, R. May, P. Elson, J. K. Seppänen, D. Dale, J. -J. Lee, D. McDougall, A. Straw, P. Hobson, C. Gohlke, Hannah, T. S. Yu, E. Ma, A. F. Vincent, S. Silvester, C. Moad, N. Kniazev, E. Ernest, and P. Ivanov “
matplotlib/matplotlib: REL V3.4.2,
” (
Zenodo
,
2021
).
98.
M.
Newville
, R. Otten, A. Nelson, A. Ingargiola, T. Stensitzki, D. Allan, A. Fox, F. Carter, Michał, D. Pustakhod, Lneuhaus, S. Weigand, R. Osborn, Glenn, C. Deil, Mark, A. L. R. Hansen, G. Pasquevich, L. Foks, N. Zobrist, O. Frost, A. Beelen, Stuermer, Kwertyops, A. Polloreno, S. Caldwell, A. Almarza, A. Persaud, B. Gamari, and B. F. Maier “
lmfit/lmfit-Py 1.0.2,
” (
Zenodo
,
2021
).
99.
J.
Végh
,
J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom.
151
,
159
(
2006
).
100.
R.
Hesse
,
T.
Chassé
,
P.
Streubel
, and
R.
Szargan
,
Surf. Interface Anal.
36
,
1373
(
2004
).
101.
See the supplementary material at https://www.scitation.org/doi/suppl/10.1116/6.0001514 for a detailed calculation of the theoretical precursor consumption (Sec. A-C), a plot of the coating thickness versus the mass consumption of the precursor TTMSP [Fig. S1(a)], a plot of the TTMSP precursor consumption vs TTMSP pulse time [Fig. S1(b)], a plot of thickness vs cycle numbers for 150 °C and 250 °C (Fig. S2), the EDXS survey spectrum of a coated fiber (Fig. S3), and the Wagner plots for titanium and oxygen of coated fibers (Fig. S4).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.