HiPIMS+DCMS联合沉积Ti-Cu涂层：真空退火调控Cu扩散与耐腐蚀性

点睛：

HiPIMS（Ti靶）提供高能Ti离子流，DCMS（Cu靶）提供高沉积速率Cu原子流，共溅射制备均匀Ti-Cu涂层。500℃真空退火使Ti沿晶界扩散至表面/界面、Cu富集于涂层中部，电阻率从173降至~100 μΩ·cm，Cu离子稳定释放0.8-1.0μM（30天）。

引言：

Ti-Cu涂层兼具钛的耐蚀生物相容性和铜的抗 菌导电性，但Ti和Cu的互扩散行为及退火对微观结构的影响尚不明确。HiPIMS可产生高密度Ti离子利于致密涂层，DCMS可快速溅射Cu提高沉积效率。两者联合能否制备出成分均匀、性能可调的Ti-Cu涂层？真空退火如何调控Cu扩散和腐蚀行为？

解析：

中国西南交通大学材料科学与工程学院的秦等人采用HiPIMS（Ti靶）+DCMS（Cu靶）共溅射制备了Ti-Cu涂层，并以“Ti–Cu Coatings Deposited by a Combination of HiPIMS and DC Magnetron Sputtering: The Role of Vacuum Annealing on Cu Diffusion, Microstructure, and Corrosion Resistance”为题发表在《Coatings》上，其工艺参数如下：

1）基体：单晶Si(100)晶圆、316L不锈钢；2）预处理：Ar离子溅射清洗基体：偏压-1500V，3Pa，15min；靶材预溅射10min去除氧化层；3）靶材：Ti靶和Cu靶，尺寸170mm×135mm×10mm；4）工作气体：Ar，压力0.6Pa；5）电源参数：Ti靶：电压-600V，频率100Hz，脉宽50μs；Cu靶：电流2A；6）基片偏压：-50V；7）沉积过程：基体以5rpm旋转，靶基距Ti靶140mm、Cu靶180mm，室温沉积10min，涂层厚度约250nm；8）退火工艺：真空（<1.0×10-3Pa），300℃、400℃、500℃各保温30min，随炉冷却。

图1 Ti-Cu涂层500℃退火后的断面TEM与元素分布

图1展示了500℃真空退火后涂层的微观结构和元素重分布。图1a低倍TEM显示涂层厚度约250nm，柱状结构明显。图1f的EDS线扫和图1g的元素面分布揭示了关键现象：Cu元素富集在涂层中部（绿色点密集），而Ti元素向涂层表面和Si界面扩散（红色点在顶部和底部富集）。这是由于Ti在Cu中的扩散系数大于Cu在Ti中的扩散系数，退火时Ti原子沿晶界等短程扩散路径迁移，将Cu“推”向中心。图1d的SAED花样标定为Ti3O、Cu2O和CuTi3相，图1b-c的HRTEM晶格条纹确认了氧化物纳米晶的存在，如d=0.247nm对应Ti3O。退火前Ti、Cu均匀分布；退火后Cu在涂层中部的原子浓度显著高于表面和界面。

图2 Ti-Cu涂层退火前后的XRD图谱

沉积态未退火的Ti-Cu涂层仅显示Ti(002)的强峰，无Cu或Cu-Ti金属间化合物峰，表明Cu以非晶或极细晶形式存在。300℃退火后，出现Ti3O或CuTi3的宽化峰。400℃和500℃退火后，Ti3O或CuTi3的峰变得尖锐，半高宽从约0.5°降至0.3°，晶粒长大、结晶度提高。未检测到纯Cu或纯Ti的金属峰，表明退火过程中Ti和Cu主要转化为氧化物和金属间化合物。

图3 Ti-Cu涂层退火前后的电阻率

纯Ti电阻率约99μΩ·cm，纯Cu约3.6μΩ·cm。沉积态Ti-Cu涂层电阻率高达173μΩ·cm，远高于纯金属。退火后电阻率显著下降：300℃退火后降至约140μΩ·cm，500℃退火后进一步降至约100μΩ·cm。由此证明了退火促使Ti向表面/界面扩散、Cu向中部富集，减少缺陷和固溶度，同时形成导电性较好的Ti3O和Cu2O，从而降低电阻率。

结论与延伸：

1. 采用HiPIMS（Ti靶）与DCMS（Cu靶）联合沉积，能充分发挥HiPIMS高离化率，高致密、高膜基结合力的特点和DCMS高沉积速率的优势，制备出成分均匀、厚度约250nm的Ti-Cu涂层。

2. 300-500℃真空退火使Ti沿晶界扩散至表面/界面、Cu富集于涂层中部，并形成Ti3O、Cu2O等氧化物，去除非平衡缺陷，使电阻率从173μΩ·cm降至约100μΩ·cm。

3. 在300℃退火条件下，Ti-Cu涂层耐腐蚀性佳，且所有退火涂层均能实现Cu离子稳定释放0.8-1.0μM（持续30天），为抗 菌导电涂层提供了简便有效的热处理调控路径。

论文DOI：10.3390/coatings10111064