通过HiPIMS直接在PMMA上沉积Al——无需任何预处理与中间层

点睛

本研究通过HIPMS实现了无任何预处理、无任何中间层，直接在PMMA(有机玻璃)上沉积铝膜，并解释了峰值电流与结合力、膜层表面形貌的关联。

引言

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，有机玻璃）具备高可见光透过率、质量轻、易成型加工的优势，广泛应用于光学镜片、显示面板、微流控器件以及各类装饰与功能化器件领域。但传统直流溅射过程中等离子体的紫外辐照会造成PMMA表层聚合物劣化，直接溅射沉积的金属膜附着力极差，常规条件下无法完成PMMA的无预处理直接金属化。本文聚焦PMMA基底上铝膜的HIPIMS直接金属化。通过实验表明，相比直流溅射，HIPIMS可显著提升铝膜在PMMA上的附着力。

解析

弗劳恩霍夫表面工程与薄膜研究所的Bandorf等使用HIPIMS实现了在PMMA（有机玻璃）上直接沉积铝膜，并探究了峰值电流对结合力的关联。以“Direct metallization of PMMA with aluminum films using HIPIMS”为题，发表在《Surface & Coatings Technology》上。

参数如下：

1）PMMA样品仅用无尘布和异丙醇轻轻擦拭。

2）在1Pa和1.5Pa下进行HIPIMS沉积。功率3kW、脉宽25μs，沉积时间在30s到2.5min之间。

3）1Pa下沉积的膜，峰值电流为50A、100A和160A。对于在1.5Pa下沉积的膜，峰值电流为100A、200A和300A。

图1 胶带测试（左侧）和组合的横切和胶带测试（右侧），a）DC，B）Ipeak：50A，c）Ipeak：100A，d）Ipeak：150A。

如图1，随着HIPIMS峰值电流从不断升高，铝-PMMA界面附着力单调提升，并且无论哪种胶带测试，HIPIMS沉积的铝膜结合力都优于直流，这归因于HIPIMS极高的离化率与更高的离子轰击能量。

图 2用NaOH去除铝涂层后PMMA表面的AFM图像；a)裸基板；b)Ipeak：100 A，RMS：6nm；c)Ipeak：200A，RMS：23nm；d)Ipeak：300A，RMS31nm

如图2，在HIPIMS沉积铝膜过程中，峰值电流显著调控了PMMA基底表层形貌；随着峰值电流由100 A提升至300 A，去除铝层后的聚合物基底RMS粗糙度从6 nm增大至31 nm，证明提高HIPIMS峰值电流可增加高能离子的轰击，从而引发的基底表面重构，机械互锁作用不断增强，是附着力改善的核心原因。

图 3剥离的铝涂层的IR光谱

如图3，随着HIPIMS 峰值电流由100 A升高至300 A，官能团（-COOH、C-H、C-O-C等）的特征吸收峰强度持续增大，CO和CH键(即附着到铝侧的聚合物)的峰值强度随着峰值电流的增加而增加。证明了在HIPIMS沉积过程中增加峰值电流并因此增加电离导致了机械互锁，从而导致沉积的铝膜的高粘附强度。

图 4环氧树脂去除铝后Al-PMMA界面的AFM图像；a)Ipeak：100A，RMS：11nm，附着力差；b)Ipeak：200A，RMS：78nm；c)Ipeak：300A，RMS65nm。

如图4，当HIPIMS峰值电流为100 A时PMMA表面平整（RMS=11 nm），断裂发生在两相界面，属于粘附失效；提升至200 A后残留表面粗糙度大幅升高（RMS=78 nm），出现大量被撕扯隆起的聚合物团块；300 A样品同样保持很高粗糙度（RMS=65 nm），粗糙的撕裂形貌证明剥离过程扯下了大块PMMA基体，发生聚合物内聚失效，证明了增大HiPIMS峰值电流，高能离子的轰击作用可诱导PMMA表层发生形貌重构粗化，通过构建机械互锁结构有效提升Al薄膜附着力；剥离失效模式从界面脱粘的粘附失效转变为聚合物基体撕裂的内聚失效，直接证实HiPIMS实现PMMA无预处理直接金属化的核心机理。

结论与延伸

本文采用高功率脉冲磁控溅射（HIPIMS）实现了PMMA基底上铝薄膜的一步直接金属化，无需额外刻蚀预处理或过渡中间层，并指出靶材的峰值电流是调控界面附着力的关键工艺参数。

随着峰值电流升高，高能离子轰击诱导PMMA表层发生形貌重构，表面粗糙度增大并形成纳米褶皱结构，依靠机械互锁作用有效提升铝膜结合强度。