《Thin Solid Films》：Deposition of Very Thick Mo/Al Multilayer Films Using Magnetron Sputtering
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保罗·B·米尔卡里米（Paul B. Mirkarimi）|兰迪·弗洛雷斯（Randy Flores）|沃伦·L·约克（Warren L. York）|大卫·B·博伯（David B. Bober）劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National
保罗·B·米尔卡里米（Paul B. Mirkarimi）|兰迪·弗洛雷斯（Randy Flores）|沃伦·L·约克（Warren L. York）|大卫·B·博伯（David B. Bober）
劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory），加利福尼亚州利弗莫尔，94550，美国
摘要
为了理解极端条件下的材料，动态斜压技术/实验至关重要，而梯度密度冲击器（Gradient Density Impactors, GDIs）具有开展高质量实验的潜力。由高z值层和低z值层组成的非常厚的（即数百微米厚）多层薄膜，其z值在薄膜堆叠中呈梯度分布，可以作为一种梯度密度冲击器使用。令人惊讶的是，尽管关于多层薄膜的文献很多，但关于非常厚多层薄膜的文献却很少。通过直流磁控溅射沉积的多种多层薄膜系统被评估为潜在的候选材料，包括Cu/Al、Ta/Al和Mo/Al。其中Mo/Al多层薄膜系统被认为最具前景，也是本文的主要研究对象。成功沉积了厚度达到约400微米且厚度均匀性良好的Mo/Al多层薄膜。
引言
理解极端条件下的材料对许多科学和工程学科都非常有用。动态压缩技术/实验对此具有重要作用。传统的动态压缩实验能够产生冲击压缩状态，而冲击产生的热能可能会熔化或蒸发样品，从而限制最大压缩程度；然而，采用斜压技术可以实现更可控、更连续的压力增加，避免冲击和热能的破坏性影响[[1]，[2]]。
能够进行斜压实验的设施极为罕见且成本高昂，因此希望能在更普及、成本更低的设施中实现斜压实验，例如使用气体枪的设施。有研究表明，梯度密度冲击器（GDI）可以在气体枪平台上实现斜压[[1],[3],[4],[5],[6],[7],[8]]。
梯度密度冲击器的设计目的是使样品在整个厚度方向上具有均匀的原子序数（z值）梯度。虽然有人尝试使用纳米压铸和粉末热压等批量技术来制备梯度密度冲击器，但效果有限[[3],[4],[5],[6],[7],[8]]。最近，Brown等人[[9],[10]]提出了使用多层薄膜作为梯度密度冲击器的方案。他们制备了总厚度约为34微米、包含100对双层结构的Cu/Al多层薄膜，通过改变双层内Cu与Al的比例（固定双层厚度为0.34微米）来实现不同的Cu和Al含量。这些薄膜适用于依赖光子多普勒测速（PDV）技术进行表征的测试平台，但许多测试平台使用其他表征技术，可能需要更厚的梯度密度冲击器才能获得合理的结果。
除了GDI应用需要非常厚的多层薄膜外，我们还注意到关于通过磁控溅射合成非常厚（即数百微米厚）多层薄膜的文献非常少，尤其是金属薄膜方面的文献更为匮乏。在开始这项研究之前，我们通过文献搜索发现了这一点。因此，本文重点讨论了厚多层薄膜的合成，并在第三节（3.1节）中总结了我们在研究多种金属多层薄膜系统过程中的技术进展，最终选择了最有前景的Mo/Al多层薄膜系统作为主要研究对象。我们认为，这项工作将有助于未来需要合成非常厚多层薄膜的研究人员，无论其具体应用（如梯度密度冲击器）如何，并且撰写本文时也考虑到了这一点。
章节摘录
实验过程
我们使用了一种传统的超高真空磁控溅射沉积系统，如图1a所示。该系统顶部装有三个直径为3英寸（7.6厘米）的直流磁控溅射源，这些溅射源向下对准装有基片的盘子；图1b展示了其中一个溅射源在工作时的情况。系统底部还装有三个直径为6英寸（15.2厘米）的直流磁控溅射源，这些溅射源向上对准盘子底部，同样可以用于沉积基板。
Cu/Al
基于之前的研究[[9]]，首先研究了Cu/Al多层薄膜系统。Cu和Al薄膜都存在拉伸应力。降低金属薄膜拉伸应力的一种方法是提高沉积原子的能量，最直接的方法是降低氩气压力，从而减少沉积原子在穿过磁控溅射器空间时与氩气分子碰撞时能量的损失。
结论
评估了多种通过直流磁控溅射沉积的高z值/低z值多层薄膜系统，以探究它们是否适合用于梯度密度冲击器（GDI）应用。结果表明，Cu/Al系统不适合制备非常厚的多层薄膜，主要是因为在各种工艺条件下Cu和Al薄膜都存在显著的拉伸应力，且至少在我们的沉积系统中无法实现应力平衡/控制。Ta/Al系统也是如此。
CRediT作者贡献声明
保罗·B·米尔卡里米（Paul B. Mirkarimi）：概念构思、方法论设计、实验研究、结果验证、文本撰写及修订、可视化处理、实验监督、项目管理、资金筹集。兰迪·弗洛雷斯（Randy Flores）：实验研究、资源调配、文本撰写及修订。沃伦·L·约克（Warren L. York）：实验研究、文本撰写及修订。大卫·B·博伯（David B. Bober）：文本撰写及修订、项目管理、资金筹集。
CRediT作者贡献声明
保罗·B·米尔卡里米（Paul B. Mirkarimi）：文本撰写及修订、原始稿撰写、结果可视化处理、验证工作、实验监督、软件开发、资源调配、方法论设计、实验研究、资金筹集、数据分析、概念构思。兰迪·弗洛雷斯（Randy Flores）：方法论设计、实验研究。沃伦·L·约克（Warren L. York）：实验研究。大卫·B·博伯（David B. Bober）：文本撰写及修订、资源调配、项目管理、资金筹集、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务冲突或个人关系。
致谢
作者感谢：（i）杰夫·阮（Jeff Nguyen）和帕特·安布罗斯（Pat Ambrose）在多层薄膜设计和建模方面的贡献，这些成果可能将在未来的论文中单独发表；以及在整个研究过程中提供的有益讨论；（ii）戴恩·弗兰图安多诺（Dayne Frantuandono）在项目启动和初期阶段的关键作用；（iii）莫诺·里（Moono Rhee）的有益意见。本研究是在美国能源部（U.S. Department of Energy）的资助下，由劳伦斯利弗莫尔国家安全有限责任公司（Lawrence Livermore National Security LLC）开展的。
