射频功率对溅射沉积CrN薄膜结构及腐蚀性能的影响机制研究

这篇综述系统探讨了射频(RF)磁控溅射功率(20-160 W)对304不锈钢(304SS)基体上铬氮化物(CrN)薄膜的结构特性、表面形貌及腐蚀行为的调控作用。研究通过X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)和电化学极化测试揭示：80 W功率下制备的薄膜具有最优的(111)晶面取向结晶度（晶粒尺寸38.74 nm）和表面均匀性（粗糙度Sa=0.012 μm），在0.5 M H2SO4溶液中展现出最低腐蚀电流密度(0.71 μA·cm?2)，为工业防护涂层工艺优化提供了重要依据。

　　

2 Experimental Details

研究采用射频(RF)磁控溅射技术在400°C的304SS基体上沉积CrN薄膜，靶材为99.99%高纯CrN，工作压力2×10^?3 mbar，通过精确控制RF功率（20/40/80/160 W）探究其对薄膜性能的影响。基体经丙酮-乙醇超声清洗后，采用石英晶体沉积速率控制器监控生长过程。

3 Results and Discussion

3.1 Crystalline Structure Analysis via X-Ray Diffraction (XRD)

XRD图谱显示随着RF功率提升，CrN(111)衍射峰强度显著增强。20 W时薄膜呈非晶态特征，80 W时晶粒尺寸达38.74 nm，160 W时出现51.20 nm的大晶粒但伴随CrN(200)相增多。Scherrer方程计算证实功率升高通过提高溅射粒子动能促进晶格有序化。

3.2 Surface Topography and Morphological Characterization by AFM

AFM三维形貌显示80 W样品具有最佳表面均质性（S_q=0.015 μm），而160 W样品因颗粒团聚导致粗糙度激增（S_q=0.065 μm）。Minkowski泛函分析揭示40-80 W样品的连通性参数χ(z)呈现双峰对称分布，表明其表面导电网络更均匀。

3.3 Microhardness Characterization of Samples

显微硬度测试显示160 W样品硬度最高（2501 Hv），与XRD结果中该功率下CrN相含量增加直接相关。但80 W样品仍保持优异机械性能（2486 Hv），证明适度功率可平衡结晶度与缺陷控制。

3.4 Corrosion Resistance of Samples

电化学测试表明80 W样品在0.5 M H₂SO₄中腐蚀电位达0.30 V（vs. SCE），腐蚀电流密度较基体降低127倍。160 W样品因表面粗糙度增加导致防护性能下降，验证了AFM观测到的沟壑结构对腐蚀的促进作用。

3.5 SEM Analysis of Samples

SEM图像直观显示80 W样品腐蚀后表面完好，而160 W样品出现明显点蚀坑。Griffith断裂理论分析指出，高功率导致的表面微裂纹成为腐蚀优先扩散路径。

4 Conclusions

研究确立80 W为最优RF功率参数，此时CrN薄膜兼具高结晶度（38.74 nm）、低表面粗糙度（0.012 μm）和卓越腐蚀防护性能（0.71 μA·cm^?2）。该成果为开发长效工业防护涂层提供了明确的工艺窗口。