等離子體是化學(xué)物質(zhì)的第四態(tài)。根據(jù)超低溫等離子體放電的物理學(xué)/有機化學(xué)液相堆積(PVD/CVD)技術(shù)性,是現(xiàn)階段制取各種優(yōu)秀作用薄膜與安全防護涂層原材料的關(guān)鍵方式。大功率單脈沖射頻濺射(HiPIMS)做為一種新式PVD技術(shù)性,因其離化率高,且便于完成高密度、光潔、大規(guī)模勻稱的高品質(zhì)薄膜制取而備受關(guān)注。以往兩年來,中科院寧波市原材料技術(shù)性與工程項目研究室的硅基薄膜原材料技術(shù)性精英團隊,緊緊圍繞HiPIMS涂層武器裝備研制、等離子體放電剖析、涂層運用認證等層面,進行了認真細致的科學(xué)研究。
最先,在中國科學(xué)院重特大武器裝備研制新項目的支助下,精英團隊根據(jù)對HiPIMS磁控源控制模塊、開關(guān)電源(與哈工大協(xié)作)、真空泵-水-電-供氣、PLC控制系統(tǒng)軟件等的可靠性設(shè)計與生產(chǎn)加工集成化,在中國較早研制出了獨立產(chǎn)權(quán)年限的大功率單脈沖射頻濺射復(fù)合型表層的鍍膜設(shè)備。該武器裝備等離子體放電平穩(wěn)、金屬材料離化率高、運作靠譜。以金屬材料Cr為例子,HiPIMS的離化率達到50%(傳統(tǒng)式直流濺射<5%),等離子體相對密度為1.3×1019/m3(比直流濺射高3-4個量級)。運用該武器裝備,精英團隊陸續(xù)進行了HiPIMS制取非晶碳膜、MoS2潤化薄膜、氮基硬質(zhì)的涂層的科學(xué)研究(App. Surf. Sci. 283(2013)321,Surf. Coat. Technol. 228(2013)275,J. Mater. Sci. Technol. 31(2015)1193),并將其擴展運用于硼基耐腐蝕涂層、MAX相空氣氧化安全防護涂層,產(chǎn)生了8項關(guān)鍵專利發(fā)明(201310026859.5,2013100264796.7,201710546704.2,201911080939.2,201911165864.8等)。
進一步比照世界各國同行業(yè)的科學(xué)研究,精英團隊發(fā)覺在具體運用中,HiPIMS因直流電復(fù)合型單脈沖的大功率并不總是能得到金屬材料的高離化率(AIP Advances, 8(2018) 015132)。對于這一難題,精英團隊創(chuàng)建了HiPIMS放電的標(biāo)值實體模型,融合探頭/光譜儀對等離子體原點確診,剖析了金屬材料類型、二次電子發(fā)送指數(shù)、磁控濺射產(chǎn)額、電離能對靶表層區(qū)水解全過程的危害(IEEE T Plasma Sci. 47 (2019) 1215),明確提出了HiPIMS單脈沖放電的四環(huán)節(jié)特點。關(guān)鍵的是,發(fā)覺在較高電壓的HiPIMS輝光放電全過程中,存有一切正常輝光向異常輝光的變化。這一結(jié)果表明,僅有HiPIMS放電進到異常輝光區(qū),才可以具體得到金屬材料的高離化(Phys. Plasmas, 24 (2017) 083507)。并且,就算針對難水解的非金屬材料碳,管控脈沖寬度在異常輝光區(qū),也可以完成C的高離化率放電。
除開以上HiPIMS靶表層地區(qū)的放電特點了解,怎樣完成對近基材地區(qū)的等離子體定性分析(如活力顆粒類型、正離子相對密度、分子相對密度),則是危害涂層生長發(fā)育的另一放電基本含義。盡管選用發(fā)送光譜分析儀(OES)可精確測量活力顆粒類型,郎格繆爾探頭可精確測量正離子相對密度,但基態(tài)原子相對密度的精確精確測量現(xiàn)階段十分艱難。因此,精英團隊根據(jù)對發(fā)送光譜分析儀的更新改造,完成了近基材表層區(qū)2cm薄厚內(nèi)光發(fā)送數(shù)據(jù)信號的靠譜收集。并根據(jù)明確提出的HiPIMS磁控濺射聯(lián)級撞擊-輻射躍遷的調(diào)整實體模型,精確測算出了等離子體中的激發(fā)態(tài)金屬材料分子相對密度。發(fā)覺提升HiPIMS的單脈沖工作電壓,能合理減少堆積區(qū)域內(nèi)的金屬材料分子成分并明顯提升正離子成分,完成不一樣磁控濺射方式的變化,它是得到HiPIMS高離化率放電并從而完成涂層精細結(jié)構(gòu)管控的重要。有關(guān)成效最近發(fā)布于英國皇室物理會(IOP)集團旗下的等離子體科學(xué)領(lǐng)域刊物上(Plasma Sources Science and Technology, 29 (2020) 015013)。