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筒内高功率脉冲磁控溅射放电等离子体的空间分布及输运行为

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中国表面工程 2022年第5期35卷 163-171页

作者：崔岁寒李体军李蕊吴忠灿马正永吴忠振北京大学深圳研究生院新材料学院深圳518055

增强对高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)过程中等离子体分布及输运行为的理解是控制涂层沉积过程并优化涂层性能的关键,尤其是对于筒内放电,等离子体分布与输运过程更加复杂,影响粒子运动行为的因素更加多样。针对筒内HiPIMS放电,并耦合电磁... 详细信息

增强对高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)过程中等离子体分布及输运行为的理解是控制涂层沉积过程并优化涂层性能的关键,尤其是对于筒内放电,等离子体分布与输运过程更加复杂,影响粒子运动行为的因素更加多样。针对筒内HiPIMS放电,并耦合电磁约束离子输出系统,以Ar/N_(2)/Cr磁控溅射体系中的主要组分及其相关反应和运动规律为研究对象,利用检验粒子蒙特卡罗(MC)方法对Ar、N_(2)和Cr三类主要演化粒子的空间演变过程进行仿真,发现离子输出束流中的各粒子呈现出不同的空间分布。其中,质量大、离子能量高的金属离子Cr^(+)的输出束流最窄,而质量小、离子能量低的气体离子N^(+)的输出束流范围最宽。利用高精度光谱仪测出Ar^(+)、N^(+)和Cr^(+)的特征光谱强度随空间的变化,与仿真得到的离子空间分布吻合。同时,利用该体系可在不同的沉积位置制备出不同Cr/N比的Cr_(x)N涂层,实现多种成分的一次性制备或同一成分的可控制备。

关键词：筒内放电等离子体仿真等离子体输运特性离子空间分布

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基于高功率脉冲磁控溅射的Cr膜层研究进展

中国表面工程 2022年第5期35卷 56-69页

作者：丁啸云张津田修波吴忠振连勇北京科技大学新材料技术研究院北京100083 哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室哈尔滨150006 北京大学深圳研究生院新材料学院深圳518055

Cr膜层因其优异的耐高温、耐腐蚀和耐磨损性能,在航空航天、武器装备和核电能源等领域得到广泛应用。由于传统电镀硬铬技术具有一定的污染,人们一直致力于寻找一种无污染的高性能Cr膜层制备方式。具备清洁特性的物理气相沉积技术,尤其... 详细信息

Cr膜层因其优异的耐高温、耐腐蚀和耐磨损性能,在航空航天、武器装备和核电能源等领域得到广泛应用。由于传统电镀硬铬技术具有一定的污染,人们一直致力于寻找一种无污染的高性能Cr膜层制备方式。具备清洁特性的物理气相沉积技术,尤其是具有高离化率和高结合力特点的高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术现已成为膜层研究领域的热点。介绍HiPIMS-Cr靶的放电特性,指出在Cr膜沉积过程中获得高Cr离化率的条件;对比HiPIMS-Cr膜层与传统工艺(电镀硬铬、直流磁控沉积溅射、电弧混合溅射等)制备的Cr膜层在表面形貌、微观组织和力学性能等方面的差异,概述不同工艺组合对Cr膜层沉积速率的影响,探讨不同影响因素对HiPIMS-Cr膜层的微观组织、力学性能的影响及相关研究进展。最后对HiPIMS-Cr膜层制备及其应用研究的趋势进行展望。

关键词： Cr膜层磁控溅射高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS) 组织力学性能

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闭合磁场的作用原理与布局逻辑

物理学报 2022年第5期71卷 233-244页

作者：崔岁寒郭宇翔陈秋皓金正杨超吴忠灿苏雄宇马正永田修波吴忠振北京大学深圳研究生院新材料学院深圳518055

采用非平衡磁控溅射阴极在镀膜区间构建闭合磁场已经成为设计开发磁控溅射真空镀膜系统的通用手段,然而闭合磁场具体的作用对象、作用机制、闭合条件、布局逻辑以及作用效果等仍没有定量的判定标准或设计依据.本文从带电粒子在磁场中的... 详细信息

采用非平衡磁控溅射阴极在镀膜区间构建闭合磁场已经成为设计开发磁控溅射真空镀膜系统的通用手段,然而闭合磁场具体的作用对象、作用机制、闭合条件、布局逻辑以及作用效果等仍没有定量的判定标准或设计依据.本文从带电粒子在磁场中的运动出发,推导了真空室内电子与离子运动行为,得出闭合磁场的作用机制,并依此研究了磁控溅射阴极和离子源布局方式对电子约束效果和沉积效率的影响.结果表明,闭合磁场在真空室中主要通过约束电子来约束等离子体,进而减少系统内电子损失;阴极数量和真空室尺寸对闭合磁场的作用效果有重要影响.提出在真空室中央增加对偶离子源,研究了闭合磁场中阴极类型、旋转角度和磁场方向对电子的约束作用,发现当离子源正对阴极相斥或相吸时,真空室内分别形成了局部高密度和均匀连续的两种等离子体分布特征,边缘电子溢出比均低于3%,镀膜区的电子占比相对无对偶离子源时分别提高到53.41%和42.25%.

关键词：闭合磁场电子运动真空结构布局沉积效率

高结晶度CrN纳米粒子掺杂的DLC薄膜的显微结构及力学性能

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金属学报 2012年第3期48卷 283-288页

作者：吴忠振田修波程思达巩春志杨士勤哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室哈尔滨150001

采用高功率脉冲磁控放电等离子体注入与沉积(HPPMS-PIID)和常规直流磁控溅射复合的方法设计制备了包含高结晶度的CrN纳米粒子的DLC薄膜,并对不同C靶电流时制备的CrN-DLC薄膜的形貌、结构及性能进行了研究.结果表明,随C靶电流的增加,薄... 详细信息

采用高功率脉冲磁控放电等离子体注入与沉积(HPPMS-PIID)和常规直流磁控溅射复合的方法设计制备了包含高结晶度的CrN纳米粒子的DLC薄膜,并对不同C靶电流时制备的CrN-DLC薄膜的形貌、结构及性能进行了研究.结果表明,随C靶电流的增加,薄膜中的含C量增加,在较高的C含量时形成了明显的DLC薄膜特征,掺杂相主要成分为高度200择优取向的CrN纳米晶,其最小晶粒尺寸为42.39 nm.薄膜中的C主要以C-sp^2,C-sp^3和CN-sp^3键的形式存在,sp^3键的总含量为sp^2总含量的44.8%.所制备的薄膜具有很好的膜基结合力(临界载荷Lc=66.8 N)和较高的纳米硬度(最高达24.3 GPa).

关键词：高功率脉冲磁控放电类金刚石薄膜 CrN 结晶度力学性能

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高离化磁控溅射技术及其工业应用

中国表面工程 2022年第5期35卷 116-144页

作者：马旻昱刘亮亮李体军李熙腾崔岁寒吴忠振北京大学深圳研究生院新材料学院深圳518055

磁控溅射技术发展至今已有40余年的历史,广泛应用在航空航天、武器装备、电子器件等领域,但较低的离化率对磁控溅射的工艺可控性、深孔沉积能力甚至涂层质量等有很大限制,高离化率一直是磁控溅射追寻的目标。从早期引入辅助增强装置,到... 详细信息

磁控溅射技术发展至今已有40余年的历史,广泛应用在航空航天、武器装备、电子器件等领域,但较低的离化率对磁控溅射的工艺可控性、深孔沉积能力甚至涂层质量等有很大限制,高离化率一直是磁控溅射追寻的目标。从早期引入辅助增强装置,到高功率脉冲磁控溅射的提出,以及持续高功率技术的发展,高离化磁控溅射技术受到广泛关注。以高离化磁控溅射技术的发展为切入点,综述近年来该技术的发展迭代、应用现状以及面向各种应用的工业设备研发进程。高离化磁控溅射的发展可归纳为四个阶段,即辅助增强的磁控溅射、高功率脉冲磁控溅射、改进型高功率脉冲磁控溅射以及持续高功率磁控溅射。分别阐述不同阶段的技术特点和存在的问题,分析各技术的应用现状及其潜在的应用价值,介绍各技术的工业设备及其应用现状。随着工业发展对涂层长寿命、高可靠性的要求,以及市场对高效率制备的诉求,高离化磁控溅射也在朝着可控、精确、高效的方向发展,最后对高离化磁控溅射技术未来发展进行展望。

关键词：高离化率辅助增强离化高功率脉冲持续高功率溅射

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软基体复合强化工艺与硬质涂层制备

软基体复合强化工艺与硬质涂层制备

高功率脉冲磁控溅射ZrN纳米薄膜制备及性能研究

第六届粤港澳真空科技创新发展论坛暨先进微纳制造技术与前...

作者：马旻昱吴忠振北京大学深圳研究生院新材料学院

硬质涂层能够有效改善机械零件表面的摩擦磨损性能,在刀具、模具、轴承、运动零部件等领域发挥了重要作用。相比硬质涂层而言,基体材料的硬度往往较低,尤其是应用更广的不锈钢、模具钢、轴承钢等,造成"薄壳效应",结合力大大下降。一般... 详细信息

硬质涂层能够有效改善机械零件表面的摩擦磨损性能,在刀具、模具、轴承、运动零部件等领域发挥了重要作用。相比硬质涂层而言,基体材料的硬度往往较低,尤其是应用更广的不锈钢、模具钢、轴承钢等,造成"薄壳效应",结合力大大下降。一般需要对基体表面进行复合强化,针对复合强化的多种工艺需求,课题组基于高离化放电技术研制了渗镀一体化涂层设备,并针对奥氏体不锈钢、模具钢和轴承钢等不同种类的基体钢材开展基体强化、过渡层制备、再到涂层沉积的一体化复合强化方案研究。本报告将重点针对三种钢材及其应用需求,介绍其复合强化的工艺探索,及获得的突破性成果,主要包括:GCr15钢的超低温渗氮技术、不锈钢连续强化减摩技术、模具钢渗镀一体技术等。

关键词：复合强化高离化硬质薄膜

来源： cnki会议评论

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cnki会议

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材料研究学报 2010年第6期24卷 561-566页

作者：吴忠振田修波段伟赞巩春志杨士勤哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室哈尔滨150001

采用高功率复合脉冲磁控溅射的方法(HPPMS)在不锈钢基体上制备ZrN纳米薄膜,并研究了不同的工作气压对薄膜形貌、相结构及各种性能的影响。采用SEM、XRD对其表面形貌和结构进行分析,发现制备的薄膜表面光滑、致密,无大颗粒,主要以ZrN(111... 详细信息

采用高功率复合脉冲磁控溅射的方法(HPPMS)在不锈钢基体上制备ZrN纳米薄膜,并研究了不同的工作气压对薄膜形貌、相结构及各种性能的影响。采用SEM、XRD对其表面形貌和结构进行分析,发现制备的薄膜表面光滑、致密,无大颗粒,主要以ZrN(111)和ZrN(220)晶面择优生长,并呈现出多晶面竞相生长的现象。对薄膜硬度、弹性模量、耐磨性和耐腐蚀性的测试发现薄膜具有很高的硬度,最高可达33.1 GPa,同时摩擦系数均小于0.2,耐腐蚀性也都有很大提高,腐蚀电位比基体提高了0.28 V,腐蚀电流下降到未处理工件的1/5。工作气压较低时,薄膜耐磨耐蚀性能都较好,但在较高气压时,耐磨耐蚀性能出现一定的下降。

关键词：材料表面与界面高功率脉冲磁控溅射氮化镐微观结构表面性能

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高离化磁控溅射技术与应用专辑序言

中国表面工程 2022年第5期35卷 I0001-I0001页

作者：吴忠振北京大学深圳研究生院

材料的应用取决于性能,性能来源于成分与结构,而结构受控于其制备技术与工艺过程,故开展新型材料制备技术与应用研究一直在新材料研发的重要组成部分!高离化磁控溅射技术作为最新的物理气相沉积手段,可以产生类似弧光放电的高等离子体... 详细信息

材料的应用取决于性能,性能来源于成分与结构,而结构受控于其制备技术与工艺过程,故开展新型材料制备技术与应用研究一直在新材料研发的重要组成部分!高离化磁控溅射技术作为最新的物理气相沉积手段,可以产生类似弧光放电的高等离子体密度和离化率,同时具备辉光放电单原子粒子束流特点,大大提高了材料生长过程中沉积粒子的可控性和能量均匀性,进而可在材料表/界面处理、材料结构调控及离子辅助生长等方面提供极大的便利。故自1999年瑞典科学家提出高功率脉冲磁控溅射原理(HiPIMS)以来,学术界和工业界都表现出极大的兴趣,针对其放电特性、电源设备、等离子体诊断以及沉积薄膜特性的研究层出不穷,不少企业已经推出基于HiPIMS及其改进或复合技术的工业生产设备,并在界面处理、硬质涂层、装饰涂层、光学薄膜、电子工业等多个领域进行应用探索!

关键词：物理气相沉积弧光放电等离子体诊断材料制备技术装饰涂层硬质涂层电源设备高功率脉冲磁控溅射

基片偏压模式对高功率脉冲磁控溅射CrN薄膜结构及成分影响研究

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稀有金属材料与工程 2013年第2期42卷 405-409页

作者：吴忠振田修波巩春志杨士勤哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室黑龙江哈尔滨150001

针对高功率脉冲磁控溅射(HPPMS)的缺点,结合沉积技术(PBII&D)技术,提出了一种新的处理方法——高功率脉冲磁控放电等离子体离子注入与沉积技术(HPPMS-PIID)。本实验采用该技术在不锈钢基体上制备了CrN薄膜,分别采用3种偏压模式:无偏压、... 详细信息

针对高功率脉冲磁控溅射(HPPMS)的缺点,结合沉积技术(PBII&D)技术,提出了一种新的处理方法——高功率脉冲磁控放电等离子体离子注入与沉积技术(HPPMS-PIID)。本实验采用该技术在不锈钢基体上制备了CrN薄膜,分别采用3种偏压模式:无偏压、–100V直流偏压和–15kV脉冲偏压,对比研究了CrN薄膜形貌、结构、成分及性能发生的变化。结果表明:该方法制备的薄膜表面平整、晶粒排列致密,呈不连续的柱状晶生长。相结构单一,主要是CrN(200)相。由于负高压脉冲将大部分进入鞘层的离子都吸引到工件沉积,薄膜沉积速率得到较大提高。另外强烈的高能离子的注入与轰击,使得薄膜的结合力高达57.7N。

关键词：高功率脉冲磁控溅射等离子体离子注入与沉积偏压氮化铬结构和成分