物理氣相沉積（PVD）是一種新型薄膜沉積技術,，在真空下以物理方式將靶材（靶材）轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w或等離子體,，然后沉積在基材表面。目前是主要方法,。表面制造技術之一,。

PVD早在20世紀初就已發(fā)展起來,，并隨著其發(fā)展而具有廣泛的應用前景,。其工藝更加環(huán)保，成本容易控制,，耗材用量少,，制備的薄膜比較均勻致密，且膜基結合力強,，廣泛應用于各種增材制造領域,。可根據(jù)加工者的需要制備各種性能的樣品,，如：耐磨,、耐腐蝕、導電,、絕緣,、壓電、磁性,、親水、疏水等,。

物理氣相沉積技術的基本原理可分為三個工藝步驟：

(1)鍍層材料的汽化：即使鍍層材料蒸發(fā)、升華或濺射,，也是通過鍍層材料的汽化源,；

(2)電鍍材料原子,、分子或離子的遷移：氣化源供給的原子、分子或離子碰撞后,，發(fā)生各種反應,；

(3)鍍層原子、分子或離子沉積在基板上,。

PVD是一種在目標基材表面物理制備目標材料的表面處理技術,。這一切都是在真空中進行的。PVD技術主要包括真空蒸發(fā)鍍膜,、真空濺射鍍膜和真空電弧離子鍍膜三大類,。

近年來，薄膜技術和薄膜材料的發(fā)展迅速而引人注目,。在原有的基礎上,，離子束增強沉積技術、電火花沉積技術,、電子束物理氣相沉積技術和多層噴射沉積技術相繼出現(xiàn),。

1、真空蒸發(fā)

真空蒸發(fā)鍍膜的原理比較簡單，包括電子束蒸發(fā)鍍膜,、電阻蒸發(fā)鍍膜,、電弧蒸發(fā)鍍膜、激光蒸發(fā)鍍膜等方法,。

主要方法是在真空中將靶材加熱成氣體蒸發(fā)或汽化,。通常加熱源位于靶材下方，靶基體位于靶材上方,。目標分子在熱能的作用下會上升,，從而沉積在目標基板上，越來越多的目標氣體分子聚集在目標基板上,，它們會生長成致密的薄膜,。

不同蒸發(fā)鍍膜方法的區(qū)別僅在于加熱方式的不同。

電阻蒸發(fā)鍍膜利用焦耳定律向電阻器提供熱能,。當電阻器的溫度變高時,，它會加熱目標材料并將其轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w分子。

電子束蒸發(fā)鍍膜方法略有不同,。它利用電子束蒸發(fā)源發(fā)射電子束并將其投射到目標表面上,。靶材一般放置在坩堝內(nèi)，加熱面積也較小,。電子束可以加熱到1000K以上,，可以熔化所有常見的材料。

2,、真空濺射鍍膜

濺射鍍膜是指在真空條件下用功能粒子轟擊靶材表面,，使靶材表面原子獲得足夠能量逸出的過程，稱為濺射,。將濺射靶材沉積到基材表面上的過程稱為濺射鍍膜,。

磁控濺射原理如圖所示，其中M代表金屬顆粒,。自由電子被電場加速并飛向陽極,。在此過程中，它們與 Ar 原子碰撞,，導致它們失去外層電子并釋放 Ar+ 和自由電子,。Ar+在電場作用下飛向陰極，擊中目標,，將目標原子擊落,。和二次電子。自由電子在飛行過程中也可能與 Ar+ 碰撞,，使其恢復到中性,。然而,，在此過程中，電子從激發(fā)態(tài)返回到基態(tài)并釋放能量,。這部分能量會以光子的形式釋放出來,，因為大量的光子被釋放，所以等離子體會出現(xiàn)“發(fā)光”,。

入射離子（Ar+）的能量不同,，達到的效果也不同。當入射離子能量較低時,，主要采用入射離子沉積（離子束沉積）方法,；當能量適中時，靶原子被濺射,；當入射離子能量過高時,，它們會被注入或擴散到目標中。

3,、電弧離子鍍

電弧離子鍍（AIP）的基本原理是電弧放電,。將爐子抽至較低的真空，然后對電弧針施加一定的強度,。電流被吸引到目標表面,，最后強電流使目標表面蒸發(fā)或氣化。目標原子獲得動能并擴散到基底表面,，在那里它們被吸附,、成核并最終生長成薄膜。

電弧離子鍍的主要特點是：工作真空度高,、氣體雜質(zhì)污染低,；沉積速率快，薄膜較厚,；沉積粒子電離率高,，離子能量高；沉積裝置簡單,，基板溫升小,。

基于電弧離子鍍的原理和特點，它也存在一定的缺點：由于電弧離子鍍提供的電流強度高,、能量大，容易在金屬靶材表面產(chǎn)生金屬熔滴,，金屬熔滴會直接沉積到基材表面會降低涂層的性能和膜基的結合力,；由于電弧針必須施加強電流，因此靶材必須采用導電材料制成,，選擇性較差,。

4、離子束增強沉積技術

離子束增強沉積技術是集離子注入和薄膜沉積于一體的新型材料表面改性技術。是指在氣相沉積鍍膜的同時,，利用一定能量的離子束轟擊,、混合，從而形成單一物質(zhì)或化合物膜層,。

除了保留離子注入的優(yōu)點外,，還可以在低轟擊能量下連續(xù)生長任意厚度的膜層，并可以在室溫或接近室溫（包括室溫和常溫）下合成理想化學配比的化合物薄膜,。無法通過壓制獲得的新薄膜層）,。

該技術工藝溫度低（<200°C），對所有基材的結合力強,。在室溫下可以獲得高溫相,、亞穩(wěn)相和非晶態(tài)合金?；瘜W成分可控,，易于控制生長過程。主要缺點是離子束是直接的,，難以加工形狀復雜的表面,。

5、電火花沉積技術

電火花沉積技術是在金屬電極（陽極）和金屬基材（陰極）之間,，通過電極材料和基材之間的空氣,，瞬間、高頻地釋放電源中儲存的高能電能,。電離產(chǎn)生通道,，在基材表面產(chǎn)生瞬時高溫高壓的微區(qū)域。同時,，離子電極材料在微電場作用下熔化并滲透到基材基體中,，形成冶金結合。

EDM沉積工藝是介于焊接和濺射或元素滲透之間的工藝,。采用電火花沉積技術加工的金屬沉積層具有較高的硬度和較好的耐高溫,、耐腐蝕、耐磨性能,，且設備簡單,，應用廣泛。沉積層與基材之間的結合非常牢固,，一般不會脫落,。處理后工件不會退火、變形,。沉積層厚度易于控制,，操作方法易于掌握,。主要缺點是缺乏理論支持，操作尚未實現(xiàn)機械化,、自動化,。

6、電子束物理氣相沉積技術

電子束物理氣相沉積技術是利用高能量密度電子束直接加熱蒸發(fā)材料,，使蒸發(fā)材料在較低溫度下沉積在基材表面,。

該技術具有沉積速率高（蒸發(fā)速率10kg/h~15kg/h）、涂層致密,、化學成分易于精確控制,、柱狀晶體結構、無污染,、熱效率高等優(yōu)點,。該技術的缺點是設備昂貴，加工成本高,。目前,，該技術已成為各國的研究熱點。

7,、多層噴射沉積技術

與傳統(tǒng)噴射沉積技術相比,，多層噴射沉積的一個重要特點是接收器系統(tǒng)和坩堝系統(tǒng)的運動可以調(diào)節(jié)，使沉積過程均勻且軌跡不重復,，從而獲得平坦的沉積表面,。

其主要特點是：沉積過程中的冷卻速率比傳統(tǒng)噴射沉積更高，冷卻效果更好,；可制備大尺寸工件而不影響冷卻速度,；工藝操作簡單，易于制備尺寸精度高,、表面均勻,、平整的工件；高液滴沉積率,；材料微觀結構均勻細密,，無明顯界面反應，材料性能良好,。

目前,，薄膜技術作為材料制備的新技術，已從實驗室的探索性研究轉(zhuǎn)向大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn),，并正在滲透到各個行業(yè),。其應用范圍和作用正在不斷擴大和深化。

這項新技術不僅涉及物理,、化學,、晶體學、表面科學,、固體物理等基礎學科,，而且與真空、冶金,、化工等技術領域密切相關,。

薄膜技術作為材料科學的重要組成部分，受到了廣泛的關注和研究,。為了不斷提高薄膜發(fā)展水平,，必須重視薄膜技術的基礎理論研究，努力將通用技能和經(jīng)驗提升為科學理論,。

在物理氣相沉積中,，氣體流量的精確控制對于薄膜的質(zhì)量和性能至關重要,。

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