高功率脉冲磁控溅射放电行为预测模型的建立与验证

High Power Pulsed Magnetron Sputtering (HPPMS) is a highly ionized technology, which can produce thin film materials with modulated structrue and excellent functional performances. But due to the complex discharge behaviour of HPPMS for different target materials, there is great blindness in the experimental designs and applications. In order to get a guidance to the consequent experimental designs and thin film developments, the study aims to set up some specific evolution patterns of the HPPMS target current and the depending relationships between the patterns and the main parameters of the target material properties and the preparation techniques. By introducing some suitable intermediate variables and the determined conditions of the self-sputtering, the pridiction will be achieved. The study relies on the 2012 State Innovation Engineering Project on New Energy Vehicles (Power Batteries) of Advanced Materials School in Peking University, and it is hoped to do favor to the designs and preparations of the films used as cathode, anode, electrolyte, electron collector, etc. of the lithium ion batteries, especially of the all-state solid thin films lithium ion batteries with high safty and high capacities used in new energy vehicles.

高功率脉冲磁控溅射技术(HPPMS)是一种高离化的磁控溅射技术，可以制备结构可调、性能优异的薄膜材料。但由于其放电的复杂性，不同的材料靶电流差异较大，使其在开发新型薄膜时，实验设计与实际应用都存在较大的盲目性。本项目在大量HPPMS伏安特性研究的基础上，以靶电流为切入点，通过合适的中间变量设置和自溅射判定条件的引入，建立其靶电流具体的演化样式模型及其与已知参数(靶材料性能参数和制备工艺参数)之间的对应关系。目的是实现对特定靶材料的放电行为预测，给后续实验设计与薄膜开发以指导，推动HPPMS技术的推广与应用。本项目依托北京大学新材料学院"2012年度国家新能源汽车 (动力电池）技术创新工程项目"，希望该项目的完成能够对新能源汽车用锂离子电池，尤其是高安全、高容量的全固态薄膜锂离子电池用薄膜（正极材料、负极材料、电解质材料及各种收集极薄膜等）的设计和制备提供研究基础。

高功率脉冲磁控溅射技术(HPPMS)是一种高离化的磁控溅射技术，可以制备结构可调、性能优异的薄膜材料。但由于其放电的复杂性，不同的材料靶电流差异较大，使其在开发新型薄膜时，实验设计与实际应用都存在较大的盲目性。本项目在大量HPPMS 伏安特性研究的基础上，以靶电流为切入点，通过合适的中间变量设置和自溅射判定条件的引入， 建立其靶电流具体的演化样式模型及其与已知参数(靶材料性能参数和制备工艺参数)之间的对应关系。分别测试了Cu、Cr、Mo、Ti、V、C等材料的靶电流-靶电压-时间曲线，获得了其典型的靶电流及其演化规律，将其与理论推导的靶电流样式相对照，建立了一一对应关系，进而验证了理论推导的正确性及合理性。采用氢气取代氩气作为工作气体，建立了无溅射的HPPMS放电，解释了靶电流峰值之后的下降除了与气体稀薄效应有关外，还与溅射过程中等离子体的平均二次电子发射系数的下降有关，进而从另一个角度验证了理论推导模型及结论的正确性。靶电流在随靶电压升高的过程中，由气体主导放电向金属主导放电的过程中存在动态转变，表现为升压过程中靶电流的周期性动荡，研究发现其产生与不同脉冲产生的热量积累与消散相关。采用原子发射光谱（OES）测试了HPPMS放电时的等离子体成分，能量等，发现不同放电条件下的等离子体成分不同，随电压增加，气体原子、金属原子、气体离子、金属离子、高价离子依次放电。发现通过基体高压耦合，可以与靶电压形成双向负压，产生类空心阴极效应，增强HPPMS放电，研究发现高压大小对气体放电影响明显，对金属放电影响较弱，而高压施加位置对金属和气体放电影响都较大。