MIS-HiPIMS同步脉冲偏压调控CrSiN纳米复合薄膜——硬度20.2 GPa & 磨损率9.1×10⁻¹⁶ m³/N·m

点睛：

采用MIS-HiPIMS技术，同步脉冲偏压宽度从100 μs增至500 μs，离子轰击时间延长，薄膜由疏松柱状演变为致密纳米柱状结构。硬度从15.6 GPa升至20.2 GPa，磨损率低至9.1×10⁻¹⁶ m³/N·m。

引言：

CrSiN纳米复合陶瓷薄膜因高硬度、耐磨损、抗高温氧化等优异性能，在刀具、模具等领域极具潜力。然而，dcMS需高温沉积≥300 ℃才能形成理想的纳米复合结构（纳米晶CrN镶嵌于非晶Si₃N₄中），限制了其在热敏感材料（如轻合金）上的应用。HiPIMS虽能提高离化率，但连续离子轰击会导致基片过热和内应力升高。金属离子同步HiPIMS通过脉冲偏压同步于阴极脉冲，可准确调控特定离子（如Cr⁺）的能量和通量，避免持续高能Ar⁺轰击。本文系统研究同步脉冲偏压宽度（100-500 μs）对CrSiN薄膜的化学成分、微观结构、力学及摩擦学性能的影响，探索低温（≈180 ℃）下制备高性能CrSiN纳米复合薄膜的可行性。

解析：

中国兰州物理研究所的Gui等采用MIS-HiPIMS技术，以“Influence of synchronized pulse bias on the Microstructure and Properties of CrSiN nano-composite ceramic films deposited by MIS-HiPIMS”为题发表在《Ceramics International》上，其工艺参数如下：

1）基体：高速钢和Si(100)晶片，2）预处理：丙酮+酒精超声清洗15 min，N₂吹干，离子源刻蚀。3）靶材：Cr靶用于Cr过渡层；Cr₉₀Si₁₀靶用于CrSiN层。4）工作气体：Ar和N₂，气压0.7 Pa。5）基片温度：约180 ℃。6）沉积过程：先沉积Cr过渡层（HiPIMS，平均功率6 kW，频率1000 Hz，脉宽100 μs，峰值电流210 A，Ar流量700 sccm，40 min）；然后沉积CrSiN层（HiPIMS，平均功率10 kW，频率1000 Hz，脉宽100 μs，峰值电流200 A）。同步脉冲偏压：电压-300 V，脉宽分别为100、200、300、400、500 μs，与HiPIMS脉冲同步。8）靶基距：150 mm；基片旋转速度3.2 r/min。

图1 HiPIMS阴极电源及同步脉冲偏置电源的放电电压波形

图2 MIS-HiPIMS薄膜沉积系统的典型原理图及放电电压波形

图1展示了HiPIMS阴极电压波形与同步脉冲偏压波形。图2显示了不同脉冲宽度（100-500 μs）下偏压的波动周期。当脉宽为100 μs时，仅约25 μs的波动时间（正离子到达基片）；脉宽增至400 μs时，波动时间延长至约320 μs；500 μs时达380 μs。波动时间几乎线性增长，为调节离子轰击提供了有效手段。此外，离子从靶到基片的扩散时间从75 μs降至50 μs，归因于等离子体弛豫和对称化。

图3 表面与断面SEM形貌随脉宽的变化

图3展示了不同脉宽下CrSiN薄膜的形貌演变。脉宽100 μs时，表面粗糙、多孔，断面呈现粗大贯穿柱状结构“columnar and porous”，厚度大约3.37 μm。随着脉宽增加，离子轰击增强，表面逐渐致密化，断面转变为“columnar but dense”结构，柱状晶细化。400 μs时薄膜为致密光滑，无明显柱状间隙；500 μs时仍保持致密但出现轻微晶粒粗化。另外厚度随脉宽增加而减小，说明致密度提高。

图4 硬度和弹性模量随脉宽的变化

图5 磨损率及磨损轮廓

图4显示了硬度随脉宽先略降（200 μs时15.6 GPa）后持续上升，400 μs时达19.3 GPa，500 μs时达20.2 GPa。弹性模量在500 μs时达MAX值348.3 GPa。力学性能提升归因于晶粒细化和致密度提高。由图5得出磨损率在400 μs时达到Min值9.1×10⁻¹⁶ m³/N·m，比100 μs时的7.69×10⁻¹⁵ m³/N·m低约一个数量级。500 μs时磨损率回升至约2×10⁻¹⁵ m³/N·m。400 μs样品因高硬度、高韧性和致密结构，抗磨损性能佳。

结论与延伸：

1. 同步脉冲偏压的波动时间随脉宽增加几乎线性延长（25→380 μs），使正离子通量可控，有效增强轰击效果，同时将基片温度控制在180 ℃左右。

2. 随脉宽增加，CrSiN薄膜从疏松柱状演变为致密纳米柱状结构，晶粒细化。硬度和弹性模量分别从15.6 GPa、约300 GPa升至20.2 GPa、348.3 GPa（500 μs）。

3. 400 μs脉宽下薄膜兼具高硬度、高韧性和致密结构，磨损率低至9.1×10⁻¹⁶ m³/N·m，比100 μs时降低一个数量级。MIS-HiPIMS通过同步脉冲偏压实现了低温下高性能CrSiN纳米复合涂层的可控制备。

DOI:10.1016/j.ceramint.2024.05.465.