我们的身边布满了电子设备，以至于我们常常忽略了它们背后复杂的技术。一个简单的动作，比如拿起智能手机，很少会让我们想到它其中蕴含的复杂性。在它的内部，数百个微型元件协同工作，每一个元件都经过了令人难以置信的精密设计和工程制造。

这些看不见的元素包括射频（RF）滤波器。无论是通过Wi-Fi还是蜂窝网络，这些元件在确保仅接收正确信号方面发挥着至关重要的作用。你所使用的任何无线设备都依赖于这些滤波器才能正常工作。其中许多滤波器依赖于压电薄膜，该薄膜由对应力有特殊反应的材料制成：它们会在机械变形时产生电荷，并在暴露于电压时改变形状。

除了用于射频滤波器，压电薄膜对于广泛的微电子元件而言也至关重要。它们常被用于传感器、执行器，甚至微型能量采集系统。研究人员也在探索压电薄膜在量子技术等新兴领域的潜力。这些应用始终不变的是，都需要薄膜具备优异的品质。能否生产出符合性能要求的薄膜，很大程度上取决于所用材料和制造工艺的精度。

瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）表面科学与涂层技术实验室的研究人员开发出一种用于压电薄膜的新型沉积工艺。该工艺的创新之处在于：采用该方法可以在绝缘基板上以非常高的质量在相对较低的温度下生产这些高科技涂层，这在相关领域尚属首次。研究人员已在《自然-通讯》（Nature Communications）期刊上发表了他们的研究成果，并就该工艺申请了专利。

为一项知名工艺注入全新优势

研究人员使用了一种名为HiPIMS的常用技术作为起点，该技术是“高功率脉冲磁控溅射”的简称。磁控溅射是一种涂层工艺，在此过程中，固体前驱材料（靶材）上的物质会沉积到待涂覆的部件（基材）上。为实现这一过程，需在靶材上点燃工艺气体等离子体。随后，工艺气体离子（通常为氩气）会撞击靶材，使原子溅射出来，溅射出的原子随后落在基材上，形成所需的薄膜。许多材料均可作为靶材使用。在压电应用中，通常会使用金属作为靶材，并常常添加氮气来生成氮化物，如氮化铝。

高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）的工作原理几乎相同，只不过这一过程不是连续发生的，而是以短暂的高能脉冲形式进行。这不仅意味着被溅射出的靶材原子移动速度更快，而且其中许多原子在穿过等离子体时会发生电离。这使得该工艺在研究领域备受关注。与中性原子不同，离子可以被加速，例如，通过向基体施加负电压。在过去20年左右的时间里，这种方法已被用于制备硬质涂层，由于能量较高，所得涂层特别致密且耐用。

然而，迄今为止，压电薄膜一直无法实现这一过程。这是因为，向基片施加电压不仅会加速成膜目标离子，还会加速工艺气体中的氩离子。必须避免这种氩轰击。“硬质涂层中有时可能会渗入百分之几的氩，”瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）研究人员塞巴斯蒂安·西奥尔（Sebastian Siol）说道。“压电薄膜通常在高电压下运行。在此情况下，此类杂质可能会导致灾难性的电击穿。”

然而，西奥尔的团队相信高功率脉冲磁控溅射技术在压电薄膜方面的潜力。离子飞向基片的高能量极具优势。如果离子以足够的能量撞击基片，它会在短时间内保持移动状态，并能在生长的晶格中找到最佳位置。但如何处理不需要的氩夹杂物呢？

在撰写博士论文期间，焦提什·帕蒂达尔（Jyotish Patidar）想出了一个巧妙的解决方案。并非所有离子都能同时到达靶材。大多数氩离子位于靶材前方的等离子体中。这意味着它们常常比靶离子更早到达基底，因为靶离子必须先从靶材中溅射出来，然后再穿越整个距离到达基底。帕蒂达尔的创新之处在于对时间的把控：“如果我们恰好在正确的时间对基底施加电压，我们就只会加速所需的离子，”西奥尔（Siol）解释道。在此时，氩离子已经飞过——如果没有额外的加速，它们的能量太低，无法掺入正在生长的薄膜中。

“电子淋浴”作为飞行控制器

凭借这一技巧，研究人员首次使用高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）技术制造出了高质量的压电薄膜，其性能与传统方法相当，甚至更佳。接下来，他们面临了另一项挑战：根据具体应用的不同，需要在绝缘基材（如玻璃或蓝宝石）上制造薄膜。然而，如果基材不导电，则无法对其施加电压。尽管工业上有一种方法无论如何都能加速离子，但这通常会导致氩气被包含在薄膜层中。

这正是瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）的研究人员取得突破的地方。为了将离子加速到绝缘基板上，他们利用磁控管脉冲本身——即将工艺气体离子喷射到靶材上的短脉冲。腔室内的等离子体不仅包含离子，还包含电子。磁控管的每个脉冲都会自动将这些带负电的基本粒子加速到基板上。与体积大得多的离子相比，微小的电子到达靶材的速度要快得多。

通常，这种“电子淋浴”与高功率脉冲磁控溅射 (HiPIMS) 工艺无关。然而，当电子在极短的时间内到达基板时，会使基板带上负电荷——足以加速离子。如果研究人员在恰当的时间间隔内精确触发后续磁控管脉冲，电子淋浴会加速在上一个脉冲期间开始飞行的靶离子。当然，也可以调整时间，以便只有正确的离子最终进入薄膜。

从芯片到量子比特

结果令人印象深刻：“使用我们的方法，可以在绝缘基板和导电基板上生产质量同样出色的压电薄膜，”西奥尔总结道。研究人员将这一工艺命名为“同步浮动电位高功率脉冲磁控溅射”（Synchronized Floating Potential HiPIMS），简称SFP-HiPIMS。该工艺的最大优势在于：使用SFP-HiPIMS可以在低温下生产质量非常高的压电薄膜。这为芯片和电子元件的生产开辟了新的可能性，因为芯片和电子元件通常无法承受高温。对于半导体行业而言，绝缘基板的该技术尤为重要：“半导体行业的许多生产设备都是这样设计的，即根本不可能对基板施加电压，”西奥尔说道。

下一步，他计划与团队致力于研发铁电薄膜——这也是当前及未来电子产品的另一项关键技术。基于此次的成功，瑞士联邦材料科学与技术实验室的研究人员也在与其他研究机构开展多项合作，将其研发的薄膜应用于光子学到量子技术等不同领域。最后，他们希望在机器学习和高通量实验的帮助下进一步优化创新流程。

参考文献：Jyotish Patidar、Oleksandr Pshyk、Kerstin Thorwarth、Lars Sommerhäuser和Sebastian Siol于2025年5月21日在《自然-通讯》（Nature Communications）上发表的“利用同步浮动电势高功率脉冲磁控溅射的选择性离子加速在绝缘基板上低温沉积功能薄膜”一文。DOI：10.1038/s41467-025-59911-y

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