基于旋转多组分靶材的脉冲激光沉积技术在不同基底上制备高熵合金薄膜的研究

本研究针对高熵合金薄膜(HEFs)大面积制备的技术瓶颈，创新性地采用旋转多组分靶材的脉冲激光沉积(PLD)技术，在玻璃、铝和钢基底上成功制备出类Cantor合金薄膜。通过优化腔体压力和基底类型，获得厚度0.1-0.8μm、植入深度0.1-1.4μm的HEFs，证实其具有优异的氧阻隔性能，为低成本大面积表面改性提供了新方案。

　　

在材料科学领域，传统合金设计长期遵循"主元+少量添加元素"的原则，如青铜、黄铜等经典合金体系。然而这种设计思路限制了新材料的开发空间。2004年，高熵合金(High entropy alloys, HEAs)的提出彻底改变了这一局面——通过将五种以上主元以近等比例混合，形成具有独特单相结构的新型材料。其中最具代表性的Cantor合金(CrMnFeCoNi)展现出卓越的机械性能和热稳定性，但块体HEAs因含稀有金属而成本高昂，制约了其工业化应用。

将HEAs制成薄膜(HEFs)是突破这一限制的有效途径，但现有技术如热浸镀和溅射法存在明显缺陷：前者需要熔化高熔点合金，后者依赖昂贵的预制合金靶材。日本 Suzuki Foundation 和 Amada Foundation 资助的研究团队在《Optics》发表论文，创新性地采用脉冲激光沉积(Pulsed laser deposition, PLD)技术，通过旋转式多组分靶材成功在多种基底上制备HEFs，避免了传统方法的局限性。

研究团队采用自主设计的PLD系统，核心创新在于使用可旋转圆形靶架，等角度装配Cr、Mn、Fe、Co、Ni五种纯金属靶材。通过控制激光脉冲频率与靶材转速实现组分调控，在真空(<5×10^-4
Pa)和氩气(5Pa)环境下分别于玻璃、钢、铝基底上沉积HEFs。借助FE-SEM/EDS等表征手段分析薄膜形貌与成分，并通过氧渗透实验评估功能性。

PLD Methodology
研究证实旋转靶设计能有效实现元素共沉积，激光参数与转速的协同控制可获得接近等原子比的Cantor-like组分。特别值得注意的是，该系统无需预制合金靶材，显著降低了实验成本。

Glass substrates
在玻璃基底上获得的HEFs厚度呈现梯度分布(120nm-2.5μm)，真空环境下沉积速率更高。氩气环境形成的薄膜更均匀，表明背景气体压力是调控薄膜质量的关键参数。

Conclusions
该研究突破性地证明：采用简易旋转靶PLD系统可在多种基底上制备组分可控的HEFs，薄膜表现出与块体HEAs相当的氧阻隔性能。这种方法避免了传统技术对预制合金靶的依赖，沉积速率可达~8nm/min，为大面积表面功能化改造提供了经济高效的解决方案。

这项工作的科学价值在于：首次系统验证了多组分旋转靶PLD技术制备HEFs的可行性，建立了工艺参数-薄膜性能的对应关系。其工业意义更为突出——通过将贵金属元素的使用量减少到薄膜级别，使HEAs在包装材料、防腐涂层等领域的规模化应用成为可能。研究者特别指出，该方法可扩展至其他多元合金体系，为新型功能薄膜开发提供了普适性技术平台。