HiPIMS沉积Nb₃Sn薄膜——750°C下Tc达17.43K，无需后退火

点睛：

采用HiPIMS技术，通过高能离子增强表面扩散，在750°C、-50V偏压下直接沉积A15相Nb3Sn薄膜，Tc高达17.43K（体材理论值18.3K的95%），ΔTc仅0.23K，RRR为2.15，无需任何后退火处理。与传统锡蒸气扩散法（>1100°C）和传统磁控溅射法（需950°C后退火）相比，制备温度首次实现小于800°C下高性能Nb₃Sn薄膜的直接沉积，为铜基SRF腔涂层应用开辟了新路径。

引言：

超导射频腔是粒子加速器的核心部件。目前绝大多数SRF腔由高纯铌制成，但其性能已接近理论极限。Nb₃Sn具有更高的超导转变温度（Tc≈18.3 K）和热力学临界场（Hc≈400 mT），是超越Nb的理想候选材料。然而，Nb₃Sn的脆性和低热导率使其必须以薄膜形式涂覆在腔体内表面。传统锡蒸气扩散法需在>1100°C下反应生成Nb3Sn，而铜腔基底的熔点限制了温度必须<800°c，导致杂质相（nb₆sn₅、nbsn2）生成。磁控溅射可降低合成温度，但高性能nb₃sn薄膜的低温制备仍具挑战。本文采用hipims技术，利用高能离子增强表面扩散，系统优化基片温度和偏压，首次在<800°c下直接沉积出高性能nb3sn薄膜，无需后退火。<>

解析：

哈尔滨工业大学吴等采用HiPIMS技术，在蓝宝石基片上沉积Nb₃Sn薄膜，系统研究了基片温度和偏压对薄膜结构与超导性能的影响，以“Fabrication of high-Tc Nb3Sn films below 800°C: A HiPIMS approach enabling copper-cavity applications”为题发表在《Applied Surface Science》上，其工艺参数如下：1）Nb₃Sn靶；2）基片为蓝宝石；3）本底真空：小于3×10⁻³ Pa；4）工作气体为Ar，流量100 sccm，气压1.0 Pa；5）HiPIMS参数：峰值电流15 A，峰值电压680 V，脉宽300 μs，频率200 Hz（占空比6%），平均功率300 W，峰值功率约10.2 kW；6）基片温度：400、500、600、700、750°C；7）偏压系列：0、-30、-50、-100、-200、-300 V；8）沉积时间：1h，膜厚1.0–1.5 μm。

图1 超导转变曲线-温度与偏压对Tc的调控

图1a显示基片温度对超导性能的影响：600°C时Tc=14.53 K（ΔTc=5.22 K，RRR=1.14）；700°C升至16.84 K（Tc=1.57 K，RRR=1.63）；750°C达17.15 K（Tc=0.25 K，RRR=1.95）。Tc升高、ΔTc收窄、RRR增大同步表明结晶度提升。原文图13b显示偏压的影响：无偏压时Tc=16.84 K；-50 V时Tc升至17.14 K（ΔTc=0.87 K，RRR=1.78）；-100 V时Tc降至16.87 K但ΔTc进一步收窄至0.32 K。Tc先升后降归因于：-50 V偏压增强表面扩散促进结晶，超过-100 V时Sn损失加剧主导性能退化。

图2 750°C、-50 V条件下超导转变

图2显示优条件（750°C，-50 V）下Tc达17.43 K，ΔTc仅0.23 K，RRR为2.15。该Tc值为已报道<800°c制备nb₃sn薄膜的高值之一，体材理论值18.3 k="">

图3 Sn含量变化下温度与偏压对其化学计量的影响

原文图3a显示Sn含量随基片温度升高从25.5 at.%（400°C）降至22.1 at.%（700°C），归因于高温下Sn挥发。图3b显示偏压对Sn含量的影响：0至-50 V区间Sn含量稳定在20 at.%；-200 V时骤降至5.5 at.%，-300 V进一步降至5.2 at.%。XRD证实此时出现Nb金属相析出。Sn是A15相的关键组分，其严重损失直接破坏了Nb₃Sn晶体结构，解释了高偏压下Tc的消失。

图4 XRD物相分析

图4显示不同基片温度下沉积的Nb₃Sn薄膜XRD图谱：所有样品均呈现Nb₃Sn衍射峰，未检测到Nb₆Sn₅或NbSn₂杂质相，证明了HiPIMS低温抑制杂质相的有效性。750°C和700°C样品显示(200)、(210)、(211)、(222)、(400)等完整A15相峰；600°C样品缺少(400)峰；400/500°C缺少(222)和(400)峰。晶粒尺寸从400°C的15.7 nm增至750°C的26.8 nm，晶格参数随温度升高单调减小，Sn含量降低引起晶格收缩。图4偏压XRD显示-200 V时出现Nb金属峰，证实过量偏压导致Sn损失和相变。

结论与延伸：

1. HiPIMS技术在750°C下直接沉积出Tc达17.43 K的Nb₃Sn薄膜，无需后退火，为铜基SRF腔涂层制备开辟了新路径。

2. 基片温度升高促进结晶（Tc↑、ΔTc↓、RRR↑）；-50 V偏压优化粒子能量，增强表面扩散同时避免Sn损失；偏压≥-200 V导致Sn严重损失（<5.5 at.="">

3. 高温导致Sn蒸发，高偏压导致Sn优先溅射。适量Sn空位仅产生晶格缺陷而不破坏A15相，过量Sn损失则导致Nb金属相析出和超导性能丧失。

4. HiPIMS的高能离子特性是实现Nb₃Sn低温合成的核心。750°C、-50 V为优参数组合，Tc达17.43 K，体材理论值18.3 K的95%。该方法有望应用于铜腔涂层，简化低温系统，可工作在4.5 K而非2 K，大幅降低SRF加速器的运行成本。

DOI:10.1016/j.apsusc.2026.165895.