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(jī)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(hù)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(lái)，中科院寧波市原材料技術(shù)性與工程項(xiàng)目研究室的硅基薄膜原材料技術(shù)性精英團(tuán)隊(duì)，緊緊圍繞HiPIMS涂層武器裝備研制、等離子體放電剖析、涂層運(yùn)用認(rèn)證等層面，進(jìn)行了認(rèn)真細(xì)致的科學(xué)研究。

　　最先，在中國(guó)科學(xué)院重特大武器裝備研制新項(xiàng)目的支助下，精英團(tuán)隊(duì)根據(jù)對(duì)HiPIMS磁控源控制模塊、開(kāi)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(jì)與生產(chǎn)加工集成化，在中國(guó)較早研制出了獨(dú)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(yùn)作靠譜。以金屬材料Cr為例子，HiPIMS的離化率達(dá)到50%（傳統(tǒng)式直流濺射<5%），等離子體相對(duì)密度為1.3×1019/m3（比直流濺射高3-4個(gè)量級(jí)）。運(yùn)用該武器裝備，精英團(tuán)隊(duì)陸續(xù)進(jìn)行了HiPIMS制取非晶碳膜、MoS2潤(rùn)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(kuò)展運(yùn)用于硼基耐腐蝕涂層、MAX相空氣氧化安全防護(hù)涂層，產(chǎn)生了8項(xiàng)關(guān)鍵專利發(fā)明（201310026859.5，2013100264796.7，201710546704.2，201911080939.2，201911165864.8等）。

　　進(jìn)一步比照世界各國(guó)同行業(yè)的科學(xué)研究，精英團(tuán)隊(duì)發(fā)覺(jué)在具體運(yùn)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(duì)于這一難題，精英團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了HiPIMS放電的標(biāo)值實(shí)體模型，融合探頭/光譜儀對(duì)等離子體原點(diǎn)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(duì)靶表層區(qū)水解全過(guò)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(diǎn)。關(guān)鍵的是，發(fā)覺(jué)在較高電壓的HiPIMS輝光放電全過(guò)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(jìn)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(duì)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。

圖1 HiPIMS不具備本征高離化率，同樣標(biāo)準(zhǔn)下不一樣原素離化率差別明顯

圖2 HiPIMS單脈沖放電的四環(huán)節(jié)特點(diǎn)及其一切正常輝光向異常輝光的變化

圖3 以Cr為例子，隨單脈沖偏壓提升，分子相對(duì)密度減少但正離子相對(duì)密度提升

圖4 不一樣種類磁控濺射方式的堆積平面圖

　　除開(kāi)以上HiPIMS靶表層地區(qū)的放電特點(diǎn)了解，怎樣完成對(duì)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(duì)密度、分子相對(duì)密度），則是危害涂層生長(zhǎng)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(cè)量活力顆粒類型，郎格繆爾探頭可精確測(cè)量正離子相對(duì)密度，但基態(tài)原子相對(duì)密度的精確精確測(cè)量現(xiàn)階段十分艱難。因此，精英團(tuán)隊(duì)根據(jù)對(duì)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(hào)的靠譜收集。并根據(jù)明確提出的HiPIMS磁控濺射聯(lián)級(jí)撞擊-輻射躍遷的調(diào)整實(shí)體模型，精確測(cè)算出了等離子體中的激發(fā)態(tài)金屬材料分子相對(duì)密度。發(fā)覺(jué)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(xì)結(jié)構(gòu)管控的重要。有關(guān)成效最近發(fā)布于英國(guó)皇室物理會(huì)（IOP）集團(tuán)旗下的等離子體科學(xué)領(lǐng)域刊物上（Plasma Sources Science and Technology, 29 (2020) 015013）。

　　以上科學(xué)研究工作中獲得了自然科學(xué)基金（51875555，11705258）、中科院主導(dǎo)重點(diǎn)（XDA22010303）、中國(guó)科學(xué)院王寬誠(chéng)首先人才計(jì)劃、及湖州市2025重點(diǎn)（2018B10012）等新項(xiàng)目的支助。