(a) dcms等离子体发射光谱;(b) hipims等离子体发射管光谱,(c)xrd衍射图谱; (d) hipims制备的高熵合金的硬度
研究人员以al-cr-ti-v-zr-n高熵合金氮化物体系为研究对象,并采用高能脉冲磁控溅射技术(hipims)构建高离化率的高熵合金等离子体成膜环境。等离子体发射光谱显示,hipims等离子体中所有靶材元素均呈现出强烈的离化态趋势(a),而在dcms等离子体中靶材元素则基本以激发态的形式存在(b)。与此同时,hipims制备薄膜过程中辅以基体偏压技术,通过等离子体鞘层的调控直接驱动等离子体向基体运动,从而实现了对达到基体表面等离子体能量和通量的控制。研究结果表明,等离子体能量和通量的增加可显著增强离子轰击效应,从而促进择优形核点和缺陷的产生。同时,薄膜表面沉积粒子的迁移率和刻蚀效应也得到进一步提高。所制备的(alcrtivzr)n薄膜均呈现单一的fcc固溶体结构;在离子轰击效应作用下,其微结构形貌玻璃态化并呈现(111)晶粒取向择优生长、晶粒尺寸细化(11.3 nm),表面粗糙度低至0.4 nm。薄膜的硬度在结构强化效应、细晶强化效应以边界强化效应共同作用下达到超硬水平(48.3 gpa)。该研究系统阐述了高熵合金等离子体时空特性-微结构-力学性能三者之间的关系,有效解析了离子轰击效应在高熵合金薄膜生长过程中的作用机制,为高性能的高熵合金氮化物薄膜的设计和制备提供了线索。
通过中国科学家的研究,进一步挖掘了hipims等离子体技术在未来更广泛的应用,hipims等离子体技术也将会在科研以及工业得到更广泛的应用。