过渡金属氮化物因其高硬度和优异的耐腐蚀性而被广泛应用于保护涂层。其中，氮化铬 (CrN) 涂层因其出色的耐腐蚀和抗氧化性能而备受关注。反应性高功率脉冲磁控溅射 作为一种先进的物理气相沉积技术，能够产生高密度、高离化的等离子体，从而制备出致密、高性能的薄膜。然而，在反应性 HiPIMS 过程中，反应气体 (如 N2) 的引入会改变等离子体化学、电子能量分布和靶材表面状态，使得氮掺入的动力学过程与热力学极限之间的相互作用尚不明确。

来自中科院宁波材料所的汪爱英等人通过将等离子体诊断与涂层表征相结合，阐明等离子体参数与 CrNx 涂层中氮掺入行为之间的直接关联，区分等离子体辅助动力学效应与热力学约束在 Cr-N 体系中对最终涂层成分的相对贡献，从而揭示反应性 HiPIMS 制备 CrNx 涂层过程中氮掺入的控制机制。相关成果于2026年2月11日以“Reactive HiPIMS-deposited CrNx coatings: plasma diagnostics and nitrogen incorporation”为题发表在《Applied Surface Science》。

样品制备和表征：

研究人员在 4H-SiC (0001) 单晶衬底上，通过反应性 HiPIMS 技术沉积了 CrNx 涂层。实验中使用纯度为 99.99 wt% 的铬靶，在恒定的平均功率 (3 kW) 和占空比 (5%) 下，通过改变 N2 流量 (0 至 75 sccm) 在金属、过渡和化合物三种溅射模式下制备了涂层样品。

利用扫描电子显微镜观察了涂层的横截面形貌；利用电子探针X射线显微分析仪 (EPMA) 和辉光放电光谱仪 (GD-OES) 测量了涂层的元素组成和深度分布；利用X射线光电子能谱 (XPS) 分析了元素的化学态和键合情况；利用X射线衍射 (XRD) 表征了涂层的晶体结构。同时，利用光学发射光谱 (OES) 和朗缪尔探针对放电过程中的等离子体进行了原位诊断，测量了激发物种、电子密度 (ne) 和电子温度 (Te) 等参数。

图1. 沉积系统示意图。

图2. 反应性 HiPIMS 放电行为。

图3. 沉积过程中等离子体物种的 OES 光谱。

图4. 作为 N2 流量函数的 Cr* 和 Ar+ 谱线强度及 Cr+/Cr* 强度比。

图5. 通过朗缪尔探针测量等离子体参数。

图6. 不同 N2 流量下沉积的 Cr-N 涂层横截面 SEM 形貌。

图7. 通过 GD-OES 测量的 CrNx 涂层深度剖面。

图8. CrNx 涂层的 XPS 结果。

图9. CrNx 涂层的 XRD 图谱。

研究结论：

1、氮掺入的热力学极限：CrNx 涂层中的氮含量随 N2 流量增加而增加，并在约 52 at.% 时出现明显的饱和现象。在实验误差范围内，该饱和值与 Cr-N 相图定义的化学计量比 CrN (~50 at.% N) 一致，表明氮掺入最终受到 Cr-N 体系热力学成分极限的约束。

2、等离子体特性与能量辅助生长：随着 N2 流量增加 (0-75 sccm)，放电峰值功率密度升高，同时 Cr+/Cr* 发射强度比增强，反映了等离子体状态富含高能金属物种。XPS 结果显示 N 1s 结合能向更高值发生系统性移动，表明在能量辅助的生长条件下 Cr-N 键合得到加强。这凸显了 HiPIMS 通过能量辅助沉积来调控氮化物涂层的优势。

3、动力学路径的控制：尽管热力学极限定义了 Cr-N 体系中可实现的最大氮含量，但反应性 HiPIMS 通过提供高能量、金属离子主导的等离子体环境，在控制向该极限演进的动力学路径方面起着决定性作用。它促进了化学计量比 CrN 的形成和稳定，而并未改变固有的热力学边界。

总之，反应性 HiPIMS 沉积的 CrNx 涂层的成分和相结构由热力学约束和等离子体辅助动力学之间的相互作用共同决定。热力学极限规定了可达到的化学计量比，而 HiPIMS 固有的高峰值功率密度和高能等离子体条件则为控制氮掺入和 Cr-N 键合的动力学演化提供了有效途径。