镀膜前的离子轰击

离子轰击是一种常用的表面改性技术，它能够在真空镀膜电源前进行，能够使金属离子发生电离，将金属离子向一定方向轰击出去，从而改变表面的化学成分和组织结构。离子轰击是一种技术成熟、应用广泛的表面改性方法。

离子轰击的工作原理是：将一块金属样品放在真空室中，利用高压电场使样品周围产生电子流，形成高能量的等离子体；当等离子体放电时，由于高速运动的电子与气体分子碰撞而产生大量的正负离子（注：在真空中，正、负离子可同时存在），这些正负离子与样品发生碰撞、电离形成稳定的化学键而使样品表面发生一系列变化。

在离子轰击过程中，发生的最主要过程是：

①产生离子轰击

②轰击金属表面

③产生新的表面化学反应

1、离子轰击的基本原理

离子轰击过程可以理解为一个电离过程，其基本的物理过程可表述为：

①电子从靶面逃逸到空间；

②电子与气体分子发生碰撞；

③由于碰撞，气体分子失去电子形成正离子或负离子。

在这个过程中，气体分子起到了一个“陷阱”的作用。即：气体分子被大量电子俘获，形成带负电的离子（注：电子可以与空穴复合形成带正电的离子），然后这些正电离子在加速电压下撞击靶面，将正离子向靶表面轰击。电子逃逸的速度非常快，远大于气体分子逃逸的速度。由于正负离子之间存在着相互作用，因此能够形成很强的电场，在很高的轰击能量下（1 eV）就能将物质原子或分子气化，形成固态物质或液态物质（注：一般情况下，被轰击物体内部原子或分子的动能远远大于被轰击物体外部物质原子或分子的动能）。通过调节轰击能量和轰击角度等参数能够对原子、分子或固态物质进行改性。

2、离子轰击的应用

离子轰击是一种常用的表面改性方法，它广泛地应用于金属、合金、陶瓷和其他材料的表面改性。在材料的表面改性中，离子轰击的应用范围是比较广泛的，主要用于：

（1）提高合金材料的表面硬度和耐磨性，如铜合金、硬质合金和铁合金等。

（2）提高金属和陶瓷材料的耐蚀性、耐热性、绝缘性等。如在陶瓷中引入N，使陶瓷具有更高的硬度、耐热、耐蚀性及良好的导电性等。

（3）改善金属材料和金属或合金表面的导电性，如在金属中引入C或O，可提高其导电性。

（4）改善金属或合金表面与有机化合物的相互作用，如在金属表面镀上有机涂层等。

（5）提高金属和合金材料在气相中的润湿性和渗透性等。

3、离子轰击方法和特点

离子轰击的方法主要有三种：

①表面溅射法，将金属样品直接放在高压电场中，产生等离子体，金属离子被加速到足够高的速度，轰击在金属表面。这是最简单的离子轰击方法。

③阳极溅射+表面溅射（双靶）法，先将金属样品放入两个电极之间形成的靶室中，在阴极上溅射一层金属氧化物（主要是氧化铝），然后将阴极样品与阳极溅射（主要是钛酸铅）放在阴极和阳极之间形成的靶室中，以适当的电压使金属离子加速到足够高的速度轰击在阴极表面。该方法简单、成本低、设备较少、不易污染环境、不产生有害气体等优点。

离子轰击的特点是：①离子能量高；②轰击速度快；③能在真空环境下进行；④可实现多靶同时轰击。离子轰击常用的是金属靶和非金属靶两种靶。

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