物質(zhì)的第四態(tài)是等離子體。物理/化學(xué)氣相沉積基于低溫等離子體放電（PVD/CVD）技術(shù)是制備各種先進(jìn)功能膜和防護(hù)涂料材料的重要手段。高功率脈沖磁控濺射（HiPIMS）作為一種新型PVD該技術(shù)因其離化率高、易于實(shí)現(xiàn)致密、光滑、大面積均勻的優(yōu)質(zhì)薄膜制備而備受關(guān)注。近幾年來，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所碳基薄膜材料技術(shù)團(tuán)隊(duì)圍繞HiPIMS涂層裝備研制、等離子體放電分析、涂層應(yīng)用驗(yàn)證等方面，開展了深入細(xì)致的研究。
首先，在中國科學(xué)院重大設(shè)備開發(fā)項(xiàng)目的資助下，團(tuán)隊(duì)通過HiPIMS磁控源模塊、電源模塊(與哈爾濱工業(yè)大學(xué)合作)、真空-水-電-氣路PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和加工集成，在我國早期開發(fā)了高功率脈沖磁控濺射復(fù)合涂層裝置。等離子體放電穩(wěn)定，金屬離化率高，運(yùn)行可靠。以金屬Cr為例，HiPIMS離化率高達(dá)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)。使用該設(shè)備，團(tuán)隊(duì)相繼進(jìn)行HiPIMS制備非晶碳膜，MoS研究2潤滑膜和氮基硬涂層（App. Surf. Sci. 283(2013)321，Surf. Coat. Technol. 228(2013)275，J. Mater. Sci. Technol. 31(2015)1193），并將其擴(kuò)展應(yīng)用于硼基耐腐蝕涂層，MAX形成了8項(xiàng)核心發(fā)明專利(9).5，20.7，4.2，9.2，4.8等）。
團(tuán)隊(duì)在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步比較國內(nèi)外同行的研究，HiPIMS由于直流復(fù)合脈沖的高功率，金屬的高離化率并不總是可（AIP Advances, 8(2018) 015132）。針對這個問題，團(tuán)隊(duì)建立了HiPIMS結(jié)合探針/光譜對等離子體的原位診斷，分析了金屬類型、二次電子發(fā)射系數(shù)、濺射產(chǎn)量和電離能對靶表面電離過程的影響（IEEE T Plas ** Sci. 47 (2019) 1215），提出了HiPIMS脈沖放電的四個階段特征。在高電壓下發(fā)現(xiàn)更高的電壓很重要HiPIMS在光放電過程中，正常光轉(zhuǎn)化為異常光。結(jié)果表明，只有HiPIMS放電進(jìn)入異常光區(qū)，實(shí)際獲得金屬高離化（Phys. Plas ** s, 24 (2017) 083507）。此外，即使對于難電離的非金屬碳，在異常光照區(qū)域調(diào)節(jié)脈沖寬度也可以實(shí)現(xiàn)C的高離化率放電。
HiPIMS本征沒有高離化率，同等條件下不同元素的離化率差異明顯
HiPIMS脈沖放電的四個階段特征和正常光向異常光的轉(zhuǎn)變
Cr例如，隨著脈沖偏壓的增加，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
除了上述HiPIMS了解靶表面區(qū)域的放電特性，如何定量分析近基體區(qū)域的等離子體（如活性粒子類型、離子密度和原子密度），是影響涂層生長的另一個放電基本內(nèi)涵。盡管使用發(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(zhǔn)確測量目前非常困難。為此，通過對發(fā)射光譜儀的改造，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了近基體表面區(qū)2cm可靠收集厚度內(nèi)光發(fā)射信號。并基于提出HiPIMS等離子體中基態(tài)金屬原子密度的精確計算是濺射級聯(lián)碰撞-輻射金屬原子的密度。發(fā)現(xiàn)增加HiPIMS脈沖電壓能有效降低沉積區(qū)金屬原子含量，顯著提高離子含量，實(shí)現(xiàn)不同濺射模式的轉(zhuǎn)變，獲得HiPIMS高離化率放電是實(shí)現(xiàn)涂層精細(xì)結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵。英國皇家物理學(xué)會最近發(fā)表了相關(guān)成果（IOP）等離子體科學(xué)期刊（Plas ** Sources Science and Technology, 29 (2020) 015013）。
國家自然科學(xué)基金()獲得上述研究工作，中國科學(xué)院試點(diǎn)專項(xiàng)（XDA）、2018年，中國科學(xué)院王寬誠率先人才計劃和寧波2025專項(xiàng)(2018年)B資助10012等項(xiàng)目。
