瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）的研究人员近日开发出一种新型薄膜制备技术，可在相对较低的温度下，于绝缘材料表面沉积高质量压电薄膜。这项被称为“同步浮动电位高功率脉冲磁控溅射”（SFP-HiPIMS）的技术，有望解决薄膜制造领域长期存在的一项难题：如何在增强有用离子能量、改善薄膜质量的同时，抑制可能造成损害的氩离子。
压电薄膜广泛用于射频滤波器、传感器、执行器以及微型能量转换器等电子元件。压电材料具有独特的机电耦合特性：受力变形时会产生电荷，而施加电压后则会改变自身形状。
Empa表面科学与涂层技术实验室的研究工作，建立在高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）技术基础之上。该技术属于物理气相沉积的一种方式，核心原理是将固体靶材中的原子转移到另一块基底表面，并逐渐形成一层薄膜。
在磁控溅射过程中，靶材附近会形成等离子体，即由电子、离子等带电粒子组成的气体。离子轰击靶材后，会将其中的原子击出；这些原子随后飞向基底并在其表面沉积成膜。与持续运行的传统溅射方式不同，HiPIMS采用短时间、高功率电脉冲，使大量从靶材中逸出的原子发生电离。
由于离子带电，它们能够被加速并定向轰击基底。这种能量会帮助刚沉积到表面的原子——即吸附原子——在晶体生长过程中移动至更合适的位置，从而提升薄膜的微观结构质量。
但在玻璃、蓝宝石等绝缘基底上，这一过程面临挑战。与导电材料不同，绝缘材料难以直接在表面施加有效电压。虽然射频偏压技术能够在绝缘表面加速离子，但它同样会加速等离子体中的氩离子。高能氩离子撞击正在生长的薄膜后，部分可能被困在材料内部，进而改变薄膜性能。
Empa研究人员Sebastian Siol表示，在某些硬质涂层中，氩元素的掺入比例可能达到几个百分点。对于通常需要在高电压下工作的压电薄膜而言，这类杂质可能引发灾难性的电击穿。
为此，研究人员利用了不同离子抵达基底时间不同的特性。博士研究期间，Jyotish Patidar提出了一种基于精确时序控制的解决思路：大部分氩离子会先朝基底移动，而所需的金属离子则需要在从靶材脱离后，穿过靶材与基底之间的空间才能到达目标位置。因此，只要在恰当的时刻向基底施加电压，便可优先加速目标金属离子，而尽量避免氩离子获得过高能量。
不过，绝缘基底无法像导电基底那样直接外加电压。研究团队随后发现，在每一次HiPIMS脉冲期间，质量更小、速度更快的电子会率先抵达基底，形成研究人员所谓的“电子雨”。这一过程会在极短时间内使绝缘基底带上负电荷，形成一种临时性的“浮动电位”。
研究人员正是利用这一短暂出现的负电位，对所需金属离子进行加速。通过精确控制不同脉冲之间的时序，团队能够提高金属离子的沉积能量，同时限制氩离子的能量，从而降低杂质进入薄膜的风险。
在实验中，研究团队在多种绝缘基底上制备了含12%钪的氮化铝钪薄膜。氮化铝钪是一种压电材料，其结构是在氮化铝中以钪元素替代部分铝元素。测试结果显示，采用SFP-HiPIMS技术制备的薄膜在结晶性、织构和残余应力等方面均获得改善。
其中，结晶性反映晶体中原子排列的规则程度；织构则指薄膜内晶粒的优选取向；残余应力是材料沉积完成后仍保留在内部的应力。研究人员还在温度低至100摄氏度的条件下，实现了薄膜在c面蓝宝石基底上的外延生长，即新沉积层能够遵循下方晶体基底的有序结构继续生长。
Siol表示，借助该方法，团队能够在绝缘基底上制备出与导电基底上质量相当的压电薄膜。
研究人员认为，SFP-HiPIMS可基于标准沉积设备实施，也有望适配更多材料体系。其低温制备能力尤其适合对高温工艺敏感的电子元件和半导体器件。相关成果已发表于《自然·通讯》，团队同时已申请专利。
下一步，研究人员计划将该技术拓展至铁电薄膜，并与其他科研团队探索其在光子学和量子技术领域的潜在应用。此外，他们还将结合机器学习和高通量实验，进一步优化这一沉积工艺。