磁场增强型高通量辉光放电溅射源的设计与研究

作     者：沈懿璇 万真真 余兴 王海舟 王永清 朱一妃 刘少锋 SHEN Yi-xuan;WAN Zhen-zhen;YU Xing;WANG Hai-zhou;WANG Yong-qing;ZHU Yi-fei;LIU Shao-feng

作者机构：北京科技大学国家材料服役安全科学中心北京100083 金属材料表征北京市重点实验室钢研纳克检测技术股份有限公司北京100081 河北大学电子信息工程学院河北保定071002 钢铁研究总院有限公司北京100081 

出 版 物：《光谱学与光谱分析》 (Spectroscopy and Spectral Analysis)

年 卷 期：2025年第45卷第2期

页      面：410-419页

核心收录：

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070302[理学-分析化学] 0703[理学-化学] 

基　　金：中国钢研科技集团公司自立研发专项(KNJT01-JT0M-22014) 国家重点研发计划项目(2021YFF0704705)资助 

主　　题：高通量实验 磁场 光谱增强 辉光放电光谱 溅射 

摘      要：高通量表征技术在金属材料分析领域具有重要应用价值,它能够实现对金属材料进行跨尺度的全域分析,评价材料表面宏观特性、微观不均匀性及局部缺陷。辉光放电溅射可沿样品表面的纵深方向,以大尺寸、平坦且快速的方式逐层剥蚀样品,再将暴露出真实显微组织的样品送至多种分析仪器中进行成分、性能、组织结构的分析,从而作为金属材料的高通量表征样品前处理环节的关键设备。在传统Grimm型辉光溅射源的基础上,本研究搭建了一种专为高通量实验设计的辉光放电溅射系统,该系统将辉光溅射尺度由mm级扩展至cm级,同时实验发现了大尺寸溅射会导致辉光放电强度及溅射速率降低这一现象。针对这一现象,结合通过COMSOL Multiphysics仿真计算的辉光放电电子运动轨迹、电子密度以及化学反应速率等结果,该研究提出了一种通过施加扫描磁场来增强辉光放电光谱(GD-OES)强度以及溅射速率的方法。实验选用T2紫铜样品来探究扫描磁场的增强效果,结果表明,应用扫描磁场增强装置可获得更强的光谱信号强度及更快的溅射速率。在保持放电电压和电流不变的前提下,Mo、Cu元素的光谱强度分别增至无磁场时的1.43~11.97倍和1.13~26.50倍。其中,Mo元素光谱强度最大值可达53421 Cts,Cu元素光谱强度最大值可达76948 Cts,分别是无磁场时的6.86倍、4.32倍。此外,该方法可以显著地提高溅射速率,当阳极筒孔径为?15 mm时,T2紫铜样品的溅射速率提高了4.35倍,最高可达2662.09 nm·min^(-1)。使用白光干涉仪和金相显微镜对溅射坑表面的平整度和显微组织图像进行了采集,结果显示磁场引入对溅射坑表面粗糙度未产生显著影响,同时能清晰地呈现样品的真实显微组织特征。综上,实验结果证实,应用扫描磁场增强装置可在确保溅射平整度不受影响的前提下,实现光谱信号强度和溅射速率的提升,为解决大尺寸溅射引起的低溅射速率问题提供了新方法。