近日，材料科学领域国际知名期刊ACS Applied Materials & Interfaces发表了我院最新一项研究成果，该成果利用脉冲直流电源改善了反应磁控溅射与涂层沉积过程，成功制备出兼具高硬度、高透明度以及良好柔韧性的SiNx/BN周期性纳米涂层（PNC）。文章第一作者为ZJUI2022级博士生武鹏远，通讯作者为ZJUI副教授、研究员Oleksiy Penkov，其他作者还包括ZJUI2022级机械工程专业硕士生余天翔、浙江大学光电科学与工程学院2021级博士生王雨思、ZJUI2021级博士生沈博阳、ZJUI博士后研究员Paul C. Uzoma，以及浙江大学光电科学与工程学院沈伟东教授。

基于这一研究，武鹏远同学在过去的一年参加了2024国际应用表面科学会议以及2022-2023中国材料大会，并获得中国材料大会最佳学术报告荣誉。“ZJUI和Oleksiy Penkov课题组良好的科研平台与宽松愉快的研究氛围给了我很多有益的影响，促使我可以静下心来学知识、做研究。”武鹏远和我们分享说。

研究背景

耐用的透明保护涂层对新型电子设备的开发和应用至关重要，只有兼具玻璃般硬度、聚合物般柔韧性，以及高透明度的涂层，才能满足可穿戴和柔性电子产品的需求。然而，提升涂层的硬度、柔韧性和透明性是一个挑战。传统的无机涂层虽然具备高硬度和耐磨性，并能保持良好的光学性能，但通常脆性较大；有机涂层拥有出色的柔韧性，且具备自清洁、抗菌和高透光等功能，但硬度较低。这些挑战凸显了在保护涂层领域寻求创新解决方案的迫切需求。

成果介绍

利用磁控溅射技术制备周期性纳米涂层（PNC）可结合不同材料的特性，有效调控涂层性能。Oleksiy Penkov课题组利用自主搭建的先进磁控溅射系统，研究了溅射气氛、脉冲直流电源参数对SiNx涂层成分与性能的影响，并获得了SiNx涂层沉积的最佳条件。在此基础上，该研究通过进一步控制SiNx与BN的调制周期与厚度比例，最终获得了力学与光学性能俱佳的SiNx/BN周期性纳米涂层。

▲ Oleksiy Penkov课题组自主搭建的先进磁控溅射系统

采用脉冲直流电源可以减轻反应磁控溅射过程中的靶中毒与电弧效应带来的不利影响，稳定反应过程，并促进靶材原子与工作气体之间充分反应。此外，目前对于脉冲直流电源工作参数（脉冲频率F与占空比D）对SiNx基涂层影响的研究较少，而该论文对这一问题做了系统性研究，发现脉冲参数对SiNx涂层的成分、硬度、弹性模量影响显著。当电源不施加脉冲时，涂层中存在较多的Si单质和SiO2，严重影响涂层的力学与光学性能。随着脉冲频率的增加，涂层中的杂质含量逐渐减少。在频率40 kHz，占空比为32%时，涂层内部几乎不存在Si单质与氧化物杂质。此时，涂层具有最佳的机械性能与良好的光学性能，硬度达到25 GPa，在可见区域与近红外区域的光学吸收分别为0.80%与0.32%。

▲（A）脉冲频率为40 kHz时，SiNx涂层在不同脉冲占空比下的机械性能；（B）脉冲占空比为32 %时，SiNx涂层在不同脉冲频率下的机械性能。（C），（D）不同脉冲条件下涂层的透光率与光学吸收。

在确定了制备SiNx涂层的最佳参数后，该研究将SiNx与BN结合，制备了SiNx/BN周期性纳米涂层，并探究了周期性纳米涂层的调制周期以及各层的厚度比例对涂层整体性能的影响。结果表明，当SiNx层的厚度适中（约2.4 nm），BN层厚度较小（小于0.8 nm）时，周期性纳米涂层的强化作用最明显，硬度最大可达32.4 GPa，弹性模量为212.7 GPa，硬度与弹性模量之比H/E为0.153。同时，涂层具有良好的抗磨损与耐弯折性能，磨损测试表明涂层磨损率仅为3.05×10-9 mm3 N-1 mm-1。将涂层沉积在PET表面，采用钢丝刷在0.5 N的载荷下反复摩擦300次，涂层表面无明显划痕；经过1000圈向内弯折后，涂层表面无开裂、脱落等现象。不仅如此，涂层在可见与近红外区域的平均光学吸收仅为0.4%，并且涂层的折射率可以通过调整各层的厚度比例来实现在一定范围内的调控（1.72-1.92 @ 600 nm）。

▲ （A）SiNx/BN PNC、康宁大猩猩玻璃、沉积有PNC的PET、以及PET的压痕曲线；（B）PET与沉积有PNC的PET在经过300圈钢丝绒摩擦后表面磨损情况；（C）PNC的结构设计图；（D）PNC的透光率与光学系数曲线；（E）沉积有PNC的PET仍具有良好的柔韧性。

总结与展望

SiNx/BN PNC独特的机械与光学性能使其在包括柔性电子设备、可穿戴设备、以及车载自动驾驶雷达等领域具有广阔的应用空间。同时，高硬度、高柔韧性、以及可调控的折射率也使得这一涂层有望应用于提高减反射光学薄膜、自清洁涂层等领域。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c10220