真空带状阴极电弧等离子体产生、过滤机理研究

High quality films can be deposited by quarter torus cathodic arc deposition filter which is a double sword because it can produce high ionization rate plasma as well as the disadvantage of low productivity and nonuniform. Ribbon-like Cathodic Arc Plasma (RCAP) in a magnetic field singularity area adjoins the cathode, which was created by combining a scanning magnetic field and a curved magnetic field, was novelly created. The Ribbon-like Cathodic Arc Plasma magnetic filter was invented and the instability due to the curved magnetic field was successfully prevented. The expansion of RCAP of C, Ti and Cu would be researched under difference scanning magnetic field and curved magnetic field parameters. The creation, transmission, distribution and controlling of RCAP as well as the ion charge distribution will be studied. The effects of RCAP filter controlling parameters and the possibility of grouping ions according to their discharge will be explored. The effects of the grouping Carbon ions on the formation of sp3 and sp2 bond in DLC films in a quantum view will also investigated to support the tailoring the structure and properties of Carbon films.

弯管式真空电弧磁过滤技术离化率高且成膜质量好，但效率低、出口均匀性差。申请人在矩形电弧靶面设计出斑点扫描磁场和电弧弯曲磁场，巧妙地在靶前形成磁场奇点区，消除了传输磁场对电弧稳定性的影响，获得了高效、均匀带状真空电弧等离子体，但其物理机理尚不清楚，项目拟以C、Ti、Cu等阴极电弧等离子体为样本，开展不同扫描磁场及弯曲磁场状态下带状真空阴极电弧等离子体的膨胀机理研究；开展RCAP的产生、传输、分布和控制理论研究；开展RCAP离子荷电态分布规律研究。同时研究影响RCAP离子分布的相关控制物理参量，探索带状阴极电弧磁过滤装置对离子不同价态离子进行群分的可行性。并以碳等离子体为例，研究C离子价态群分后不同价态C离子对DLC膜的SP3与SP2杂化键的影响，从量子的角度探索离子电荷态分布与碳膜杂化键形成的对应关系，为调控碳基薄膜功能结构提供理论支持。

弯管式真空电弧磁过滤技术离化率高且成膜质量好，但效率低、出口均匀性差。采用矩形靶材，进行弯曲电弧磁过滤，可以克服弯管式电弧磁过滤的等离子体出口处不均匀的缺陷，实现等离子体长条矩形均匀分布，配合镀膜系统公自传即可将工件量提高十几至几十倍。本项目就此开展了相关理论基础及应用研究，主要研究内容、及其重要结果和关键数据包括：.1..模拟了RCAP宏观颗粒过滤系统的静态电磁场，采用高斯计测量了磁场分布，对模拟结果进行了对比。采用Langmuir探针和法拉第杯相结合，通过实验获得RCAP各种等离子体参数进而判断等离子体膨胀过程中，离子的速度在104~105m/s之间。 .2..对RCAP中的离子传输、分布进行理论计算。采PIC-Monte Carlo方法演变RCAP的膨胀与传输机理，分析磁场、等离子体分布之间的关系，最后测量等离子体参数，获得RCAP的传输的控制要素。 发现了离子在弯管中的传输呈波动传输模式。.3..获得RCAP过滤系统中电荷态分布及变化规律，成功获得离子分布数据，并绘制了离子的速度分布曲线。掌握带状等离子体出口电荷态分布规律。 发现离子在出口处，在磁场的作用下呈平行四边形分布。.4..获得等离子体离子分布数据及带状等离子体传输后的电荷态能量分布及位置分布规律。研究RCAP磁过滤装置对不同价态离子进行群分的效果，研究RCAP磁过滤装置制备DLC膜。制备了高硬度的类金刚石碳膜。并在碳纤维复合材料的切削过程中，进行应用研究。.项目研究，创建了一种真空电弧等离子体的传输物理模拟方法，研究结果有助于从微观角度建立薄膜的形核、生长与电荷态的相互关系，为理解粒子形态与形核生长及结构的关系提供参考，本项目研究对薄膜技术发展具有重要推动意义。