CRDS/LIF診斷HiPIMS——靶面Ti原子/離子基態(tài)密度及94%電離度

點睛：

利用腔衰蕩光譜（CRDS）與激光誘導(dǎo)熒光（LIF）測得HiPIMS放電中靶附近Ti原子和離子基態(tài)多重態(tài)各能級密度。發(fā)現(xiàn)高能級出現(xiàn)布居反轉(zhuǎn)，跑道上方Ti?密度達(dá)8.3×1011 cm?3，電離度高達(dá)94%，且脈沖結(jié)束后仍保持高電離。

引言：

HiPIMS因高離化率而廣泛用于高性能涂層，但靶面附近金屬原子和離子的基態(tài)密度分布及電離過程尚不清晰。傳統(tǒng)診斷難以定量測量基態(tài)粒子密度。CRDS自校準(zhǔn)吸收光譜結(jié)合LIF空間分辨成像，能否揭示Ti靶HiPIMS放電中原子和離子的時空分布及電離機制？

解析：

捷克西波西米亞大學(xué)物理系的Pajdarova等人采用CRDS+LIF技術(shù)，以“On density distribution of Ti atom and ion ground states near the target in HiPIMS discharge using cavity ring-down spectroscopy and laser induced fluorescence”為題發(fā)表在《Plasma Sources Science and Technology》上，其工藝參數(shù)如下：

1）靶材：Ti靶，直徑100mm，厚6mm；2）工作氣體：Ar，氣壓1Pa；3）電源參數(shù)：脈寬100μs，重復(fù)頻率100Hz和500Hz（平均功率密度均為3.8W/cm2），峰值功率密度分別為498W/cm2（100Hz）和116W/cm2（500Hz）；4）診斷：CRDS測量吸收譜線獲得密度，LIF成像獲取空間分布，位于靶上方z=10mm平面；5）基體：等離子體診斷。

圖1 靶上方Ti原子和離子基態(tài)多重態(tài)各能級密度的時間演化

圖1顯示，Ti?離子各能級密度隨能級能量升高而增大，高能級密度顯著高于低能級，即出現(xiàn)布居反轉(zhuǎn)（ni/gi隨能級升高而增加）。這種反轉(zhuǎn)在脈沖結(jié)束后40μs仍然存在。Ti原子也有類似趨勢但較弱。頻率100Hz時，Ti?總密度峰值約8×1011 cm-3；500Hz時約2.5×1011 cm?3。布居反轉(zhuǎn)源于高密度低能電子的頻繁碰撞激發(fā)以及高能級向低能級的輻射級聯(lián)。

圖2 靶上方Ti原子和離子密度空間分布

圖2顯示不同時刻的徑向密度分布。Ti?離子密度峰值位于跑道（r≈±28mm）上方，100Hz時峰值達(dá)8.3×1011 cm?3；脈沖結(jié)束后峰值向靶邊緣移動。Ti原子密度峰值位于靶中心（r=0），100Hz時峰值約4.7×1011 cm?3。在跑道位置（r≈±33mm）處Ti原子密度出現(xiàn)明顯“凹槽”，這是由于該區(qū)域電離強烈，Ti原子被頻繁電離為Ti?，導(dǎo)致原子密度降低。這一現(xiàn)象直接證明了HiPIMS中跑道上方的高電離活性。

圖3 電離度的時間演化和空間分布

圖3a,c顯示電離度η = n(Ti?)/[n(Ti?)+n(Ti)]。從GSM總和計算的電離度在100Hz時高達(dá)94%，且脈沖結(jié)束后仍保持較高水平約75-80%。從基態(tài)（僅0eV能級）計算的電離度較低，說明僅測基態(tài)會低估總電離度。圖3b,d顯示空間分布：電離度峰值始終位于跑道上方，脈沖期間可達(dá)94%；500Hz時峰值約70%。這說明高功率密度HiPIMS可實現(xiàn)極高電離度，且電離區(qū)域集中在跑道。

結(jié)論與延伸：

1. 成功測量Ti原子和離子基態(tài)多重態(tài)各能級的密度，發(fā)現(xiàn)高能級出現(xiàn)布居反轉(zhuǎn)，高能級粒子數(shù)密度/統(tǒng)計權(quán)重大于低能級，在Ti?中尤為顯著且脈沖結(jié)束后仍持續(xù)40μs。

2. 在100Hz，峰值功率密度498W/cm2時，跑道上方Ti?密度達(dá)8.3×1011 cm?3，電離度峰值94%；Ti原子密度峰值在靶中心，跑道處因強電離出現(xiàn)密度凹槽。

3. 傳統(tǒng)僅測量基態(tài)（0eV）能級會低估總粒子密度和電離度；布居反轉(zhuǎn)使得激發(fā)溫度Tex為負(fù)，故不能用玻爾茲曼分布從基態(tài)推算其他能級密度，需直接測量。

論文DOI：10.1088/1361-6595/ac6d0b