磁控溅射制备CoCrFeNiTi高熵合金薄膜的可调TCR与热电性能研究

为解决传统薄膜电阻材料（如NiCr和TaN）在耐腐蚀性、温度系数电阻（TCR）调控及热电性能方面的局限性，研究人员通过DC磁控溅射技术制备了CoCrFeNiTi高熵合金（HEA）薄膜，系统研究了溅射时间和功率对薄膜结构、成分及电学性能的影响。结果表明，通过优化工艺参数可获得TCR低至2.7±0.8 ppm/°C、电阻率316 μΩ·cm的薄膜，同时其功率因子（PF）在-196至200°C范围内呈现线性增长，最高达0.015 mW/(m·°C2 )。该研究为微电子器件电阻材料和热电转换材料提供了新型候选方案。

　　

在微电子和能源转换领域，薄膜电阻材料的性能直接决定了器件的稳定性和效率。传统材料如镍铬合金（NiCr）易受潮湿环境腐蚀，而氮化钽（TaN）虽耐腐蚀但需复杂工艺调控TCR。高熵合金（HEA）因其独特的成分可调性和多功能性成为研究热点，但如何通过单一靶材溅射实现低TCR与高热电性能的协同优化仍是挑战。

为解决这一问题，来自中国的研究团队在《Results in Surfaces and Interfaces》发表研究，通过DC磁控溅射技术制备Co_0.22
Cr_0.23
Fe_0.29
Ni_0.2
Ti_0.06
高熵合金薄膜，系统探究了溅射功率（100-1000 W）和时间（180-720 s）对薄膜结构、成分及电学性能的影响。研究采用X射线衍射（XRD）分析晶体结构，扫描电镜（SEM）结合能谱（EDX）表征形貌与成分，并通过四探针法和温差电动势测量评估电阻率、TCR及Seebeck系数。

3.1 溅射参数对晶体结构与成分的影响
研究发现，短时间（180 s）溅射可获得非晶结构薄膜，而延长溅射时间会诱发FCC相（111）晶面生长。高功率（1000 W）溅射显著提升沉积速率至3 nm/s，但导致Ti、Cr元素损失和Ni富集（EDX结果），表明需调整靶材成分以匹配薄膜设计。

3.2 电学性能调控
关键突破在于500 W/180 s工艺下实现的超低TCR（2.7±0.8 ppm/°C）与适中电阻率（316 μΩ·cm）。高功率（1000 W）样品虽展现最高功率因子（0.015 mW/(m·°C²
)），但TCR升高至-39 ppm/°C。Seebeck系数均为负值（-10至-3.9 μV/°C），证实电子主导的传导机制，Ti的引入可能通过改变能带结构实现n型调控。

结论与意义
该研究首次建立了CoCrFeNiTi薄膜的“工艺-性能”关系图谱，证明通过单一靶材溅射即可同步优化TCR和热电性能。非晶结构通过增强电子散射抑制TCR温度依赖性，而Ti的掺杂调控了载流子输运行为。相比传统材料，该HEA薄膜兼具耐腐蚀性和宽温域稳定性，为微电子电阻和低温热电转换器件提供了新材料范式。未来需进一步研究高温区（>200°C）性能及长期氧化稳定性以拓展应用场景。