HiPIMS沉積金在聚合物上的成核增強——更早滲流、更高覆蓋率

點睛：

HiPIMS平均動能9.7 eV較DCMS平均動能3.9 eV使Au原子/離子具有更高能量，在PS、P4VP、PSS上成核點增加，島間距更小，團簇密度更高。4 nm厚度時HiPIMS覆蓋率達93-96%，DCMS僅76-84%，滲流閾值提前，如PSS上從7.0nm降至4.7nm。

引言：

聚合物-金屬界面在有機電子、柔性傳感器中至關重要。金因惰性、高導電性成為理想電極材料，但直接磁控濺射到聚合物上常因成核差導致島狀生長，需預處理增加附著力。HiPIMS可產(chǎn)生高能金屬離子，有望改善成核和覆蓋。然而，HiPIMS與DCMS在聚合物上沉積金的原位生長動力學差異尚不清晰。本文采用原位GISAXS/GIWAXS，結合SEM、AFM、四探針，系統(tǒng)研究Au在三種聚合物（PS、P4VP、PSS）上的成核、生長和滲流行為，揭示HiPIMS高能粒子促進成核的機理。

解析：

德國DESY同步輻射機構及多家合作單位的研究人員（一作者Yusuf Bulut）采用HiPIMS和DCMS技術，以“Investigating Gold Deposition with High-Power Impulse Magnetron Sputtering and Direct-Current Magnetron Sputtering on Polystyrene, Poly-4-vinylpyridine, and Polystyrene Sulfonic Acid”為題發(fā)表在《Langmuir》上，實驗細節(jié)如下：

1）基體：Si晶圓上涂聚合物薄膜（PS厚39nm，P4VP厚40nm，PSS厚28nm）；2）靶材：2英寸Au靶；3）工作氣體：Ar，流量10sccm，氣壓0.36Pa；4）電源參數(shù)：DCMS平均功率27W；HiPIMS平均功率40W，脈寬50μs，頻率1kHz（沉積速率相同，均為0.294nm/s）；5）基片溫度：室溫；6）靶基距：13cm。

圖1 金涂層樣品的FESEM圖像如下：(a、d、g、j)Au:PS；(b、e、h、k)Au:P4VP；(c、f、i、l)Au:PSS。圖a?c采用δAu涂層（DCMS，2nm），圖d?f采用δAu涂層（HiPIMS，2nm），圖g?i采用δAu涂層（DCMS，4nm），圖j?l采用δAu涂層（HiPIMS，4nm）。

δAu=2nm時，DCMS和HiPIMS均形成孤立島狀網(wǎng)絡，島尺寸約4±2nm。δAu=4nm時，HiPIMS沉積的Au覆蓋率為93-96%（PS 93%，P4VP 93%，PSS 96%），而DCMS僅76-84%（PS 76%，P4VP 77%，PSS 84%）。表明HiPIMS在相同厚度下顯著提升覆蓋率，尤其對PSS效果好。

圖2 原位GISAXS提取的Au島間距和團簇密度演化

圖2a-c顯示，隨Au厚度增加，島間距D先增后趨于穩(wěn)定。HiPIMS沉積的Au在δAu>1.8nm后間距始終小于DCMS，表明HiPIMS使島分布更密集。圖2d-f顯示團簇密度：HiPIMS的團簇密度在δAu約2nm后明顯高于DCMS，且持續(xù)至沉積結束。例如PS上，HiPIMS團簇密度約是DCMS的1.5-2倍。HiPIMS較高動能（9.7eV）使入射粒子在聚合物表面產(chǎn)生更多缺陷/成核點，導致更高密度的穩(wěn)定晶核。

圖3 半球模型提取的Au島半徑R及滲流閾值（2R/D=1）

圖3a-c顯示，HiPIMS沉積的Au島半徑R在δAu>2nm后小于DCMS，說明高能離子抑制島的大尺寸生長，鼓勵更多小島形成。圖3d-f顯示2R/D隨厚度的變化：滲流閾值（2R/D=1）在HiPIMS下明顯提前。PS上從3.9nm（DCMS）降至3.0nm（HiPIMS）；P4VP上從4.0nm降至2.4nm；PSS上從7.0nm降至4.7nm。高能粒子誘導更多成核點，島尺寸小但密度高，更早相互連接形成導電通路。

結論與延伸：

1. δAu=4 nm時，HiPIMS覆蓋率達93-96%，比DCMS（76-84%）高15-20個百分點。HiPIMS高能粒子（9.7 eV）誘導更多成核點，形成更密集、更小的Au島。

2. HiPIMS能夠使金膜在更低的標稱厚度下達到滲漏閾值，顯著提升了極薄膜層的表面覆蓋率。

3. 該研究結論不僅適用于金（Au），對于同樣具有Volmer-Weber生長特性的銀（Ag），采用HiPIMS技術同樣有望解決其在聚合物上易團聚、難以成連續(xù)薄膜的問題。

DOI:10.1021/acs.langmuir.4c02344