HiPIMS自组织放电高分辨光谱影像学

引言

因磁场约束，以及超高功率放电，高功率脉冲磁控溅射技术（HiPIMS）在放电过程中会存在局部放电增强而导致辉光闪烁的不稳定现象。当不稳定辉光存在时，其放电状态也有很大差异，辉光会形成不同的放电组织和斑图形式。伴随着这些增强型斑图辉光放电，其内部粒子成分放电状态如激发与电离存在差异，如何直观研究这些变化，高分辨光谱影像学是一种有效的手段，可直观观察不稳定区域的放电形式与变化。

点睛

1）高分辨光谱影像学可用来分析放电的局部状态，如稳定性；

2）高分辨光谱影像学可用来分析不同粒子的成分，激发、离化状态等；

内容

实验采用Al靶材作为高功率脉冲磁控溅射源，并进行光谱影像学的放电研究。如图1(a)所示，当没有任何光谱滤波时，我们可以看到圆形自组织放电斑图，且有局部增强。然而当我们采用394nm光滤波时，可以看到Al原子的激发辐射谱1(b)，而且强度，说明整个放电斑图中充斥着带有能量的激发态Al原子。相比之下，激发态为13.08eV的Al原子，强度较弱，说明该种成分较少图1(c)，但激发态13.3eV的Al原子在四个斑点处表现增强图1(d)，且与图1(a)中的四个斑点对应，说明四个斑点处以高能激发为主。与我们常规认为此处可能为放电强度高，离化率高有一定差异，因此通过高分辨光谱影像学有助于我们正确认识和理解等离子体放电状态。

图1.不同Al成分下的高分辨光谱影像学(a)总体影像图,(b-d)Al原子激发态影像图，(e-g)Al离子激发态影像图。

那离化状态如何？如图1(e)为离化能量为15.06eV的Al离子态，可以看到其放电斑图与图1(d)并不重合，说明其离化不来自13.3eV的激发离化，更像是来自3.14eV的Al原子的直接激发离化。同理，对于更高离化态的Al离子，如图1(f),1(g),其放电更弱，说明高能态Al离子较少，且这些高能态Al离子有可能来自于3.14eV的激发离化和13.3eV的Al原子激发离化。

因此，通过高分辨光谱影像学的研究可以纠正我们所认知的等离子体状态，让我们更正确理解放电形式和机理。

延伸

1) 高分辨率光谱影像学可以观察更多放电成分的状态与不同位置的分布等。

2) 作为有效的诊断工具，更多的有效信息将会传递出来，对等离子体放电机制提供帮助。

3) 但如何从给出的诊断图，去深入挖掘更多的放电机理，需要具备深厚的理论知识与基础。