寧波材料所在高功率脈沖濺射等離子體研究方面取得進展
等離子體是物質(zhì)的第四態(tài)?；诘蜏氐入x子體放電的物理/化學(xué)氣相沉積（PVD/CVD）技術(shù)，是目前制備各類先進功能薄膜與防護涂層材料的重要手段。高功率脈沖磁控濺射（HiPIMS）作為一種新型PVD技術(shù)，因其離化率高，且易于實現(xiàn)致密、光滑、大面積均勻的高質(zhì)量薄膜制備而備受關(guān)注。過去幾年來，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所的碳基薄膜材料技術(shù)團隊，圍繞HiPIMS涂層裝備研制、等離子體放電分析、涂層應(yīng)用驗證等方面，開展了深入細致的研究。
首先，在中科院重大裝備研制項目的資助下，團隊通過對HiPIMS磁控源模塊、電源模塊（與哈工大合作）、真空-水-電-氣路、PLC控制系統(tǒng)等的優(yōu)化設(shè)計與加工集成，在國內(nèi)較早研制出了自主產(chǎn)權(quán)的高功率脈沖磁控濺射復(fù)合鍍膜裝置。該裝備等離子體放電穩(wěn)定、金屬離化率高、運行可靠。以金屬Cr為例，HiPIMS的離化率高達50%（傳統(tǒng)直流濺射<5%），等離子體密度為1.3×1019/m3（比直流濺射高3-4個數(shù)量級）。利用該裝備，團隊相繼開展了HiPIMS制備非晶碳膜、MoS2潤滑薄膜、氮基硬質(zhì)涂層的研究（App. Surf. Sci. 283(2013)321，Surf. Coat. Technol. 228(2013)275，J. Mater. Sci. Technol. 31(2015)1193），并將其拓展應(yīng)用于硼基耐蝕涂層、MAX相氧化防護涂層，形成了8項核心發(fā)明專利（201310026859.5，2013100264796.7，201710546704.2，201911080939.2，201911165864.8等）。
進一步對比國內(nèi)外同行的研究，團隊發(fā)現(xiàn)在實際應(yīng)用中，HiPIMS因直流復(fù)合脈沖的高功率并不總能獲得金屬的高離化率（AIP Advances, 8(2018) 015132）。針對這一問題，團隊建立了HiPIMS放電的數(shù)值模型，結(jié)合探針/光譜對等離子體原位診斷，分析了金屬種類、二次電子發(fā)射系數(shù)、濺射產(chǎn)額、電離能對靶表面區(qū)電離過程的影響（IEEE T Plasma Sci. 47 (2019) 1215），提出了HiPIMS脈沖放電的四階段特征。重要的是，發(fā)現(xiàn)在較高電壓的HiPIMS輝光放電過程中，存在正常輝光向反常輝光的轉(zhuǎn)變。這一結(jié)果說明，只有HiPIMS放電進入反常輝光區(qū)，才能實際獲得金屬的高離化（Phys. Plasmas, 24 (2017) 083507）。而且，即便對于難電離的非金屬碳，調(diào)控脈沖寬度在反常輝光區(qū)，也能實現(xiàn)C的高離化率放電。
除了上述HiPIMS靶表面區(qū)域的放電特性理解，如何實現(xiàn)對近基體區(qū)域的等離子體定量分析（如活性粒子種類、離子密度、原子密度），則是影響涂層生長的另一放電基礎(chǔ)內(nèi)涵。雖然采用發(fā)射光譜儀（OES）可測量活性粒子種類，朗格繆爾探針可測量離子密度，但基態(tài)原子密度的準確測量目前非常困難。為此，團隊通過對發(fā)射光譜儀的改造，實現(xiàn)了近基體表面區(qū)2cm厚度內(nèi)光發(fā)射信號的可靠采集。并基于提出的HiPIMS濺射級聯(lián)碰撞-輻射躍遷的修正模型，準確計算出了等離子體中的基態(tài)金屬原子密度。發(fā)現(xiàn)增加HiPIMS的脈沖電壓，能有效降低沉積區(qū)內(nèi)的金屬原子含量并顯著提高離子含量，實現(xiàn)不同濺射模式的轉(zhuǎn)變，這是獲得HiPIMS高離化率放電并進而實現(xiàn)涂層精細結(jié)構(gòu)調(diào)控的關(guān)鍵。相關(guān)成果近期發(fā)表于英國皇家物理學(xué)會（IOP）旗下的等離子體科學(xué)領(lǐng)域期刊上（Plasma Sources Science and Technology, 29 (2020) 015013）。
上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金（51875555，11705258）、中國科學(xué)院先導(dǎo)專項（XDA22010303）、中科院王寬誠率先人才計劃、及寧波市2025專項（2018B10012）等項目的資助。
圖1 HiPIMS不具有本征高離化率，相同條件下不同元素離化率差異顯著
圖2 HiPIMS脈沖放電的四階段特征以及正常輝光向反常輝光的轉(zhuǎn)變
圖3 以Cr為例，隨脈沖偏壓增加，原子密度降低但離子密度增加
圖4 不同類型濺射模式的沉積示意圖
?。ū砻媸聵I(yè)部/中科院海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點實驗室 左瀟）