退火时间对磁控溅射Au-Ni-Cr金基涂层电阻率与耐磨性能的影响

航天导电滑环、新能源旋转连接器以及高可靠电子器件，对导电性能和耐磨性能都有着严格要求。为了提高金基涂层的综合性能，研究人员通常会采用Ni、Cr元素进行合金化，并结合退火工艺优化组织结构。不过，新工艺是否真正有效，不能只看硬度或耐磨性能，还需要准确评估电阻率变化。这也是Xfilm埃利四探针方阻仪广泛应用于导电薄膜研发的重要原因。

 

不同 Ni、Cr 靶功率的涂层的 SEM 形貌

涂层采用直流磁控溅射制备。在CuCrZr合金和Si片上先沉积150nm Ni过渡层以缓解界面失配。Au靶功率190W，Ni、Cr靶功率分别取0、30、50、100W。工作气压0.6Pa，Ar流量40mL/min，基底温度150℃，偏压-50V。沉积后在250℃真空炉中分别退火5h和20h。电阻率用四探针测试仪测量，取多点平均值以减小误差。

截面形貌用SEM观察，元素分布用EDS面扫分析，晶体结构用XRD（Cu Kα辐射）表征。纳米压痕测量硬度与弹性模量，球-盘摩擦试验评估耐磨性。

Ni/Cr掺杂与退火时间对涂层微观结构的影响

/Xfilm

 

Ni、Cr 靶功率为100 W 的涂层的EDS

EDS分析表明，Ni、Cr原子百分比随对应靶功率增加而上升。100W样品元素分布均匀，退火前后未见明显偏聚或分层。各元素均匀性保持良好。

不同Ni、Cr 靶功率的涂层的 XRD 和晶粒尺寸

XRD图谱中Au(111)衍射峰为主峰。随Ni、Cr含量增加，衍射峰强度降低、峰宽增大，表明晶粒细化。退火促进晶粒长大，高掺杂样品20h退火后晶粒尺寸先增后减。晶界增多使电子散射增强。SEM观察可见，高功率样品晶粒更细密，退火后缺陷减少、晶粒融合。

晶粒尺寸和晶界密度共同决定涂层性能。细化晶粒可提高硬度，但晶界增多将增大电阻率，两者需综合平衡。

电阻率测试结果与优化策略

/Xfilm

 

不同Ni、Cr 靶功率的涂层的电阻率和晶界散射系数

纯Au涂层沉积态电阻率约2.8×10⁻⁸ Ω·m。随Ni、Cr靶功率增大，电阻率明显上升，主要源于晶格畸变和晶粒细化引起的晶界散射增强，符合M-S模型。退火5h后电阻率继续升高，20h后增幅更为显著，与Ni、Cr原子向晶界偏聚有关。

四探针法测量薄层电阻精度高于传统方法。在30-50W靶功率区间内，电阻率增幅相对温和，表明该掺杂范围具有应用潜力。

航天滑环应用中，涂层电阻率需控制在10⁻⁷ Ω·m量级以内，以避免信号传输衰减。退火时间的选取应综合考虑电阻率和耐磨性的平衡。

力学与摩擦学性能综合评价

/Xfilm

 

低功率样品残余应力呈压缩状态，高功率退火后转为拉应力。纳米硬度随Ni、Cr含量及退火时间增加而提升，固溶强化和细晶强化共同作用。根据Hall-Petch关系，晶粒尺寸控制是关键因素。

不同Ni、Cr 靶功率的涂层的摩擦因数和磨损率

摩擦因数随Ni、Cr含量增加而上升，磨损率则下降。纯Au涂层以黏着磨损为主，掺杂后磨粒磨损比例增大。退火时间延长使摩擦因数继续增大，磨损率呈先升后降趋势。高掺杂样品耐磨性最优，但电阻率同步升高。

Ni、Cr共掺杂配合250℃/5-20h退火，可在Au基涂层中提升硬度和耐磨性。30-50W掺杂区间电阻率增幅可控，为航天导电滑环涂层设计提供了数据参考。

Xfilm埃利四探针方阻仪

/Xfilm

 

Xfilm埃利四探针方阻仪用于测量薄层电阻（方阻）或电阻率，可以对最大230mm 样品进行快速、自动的扫描， 获得样品不同位置的方阻/电阻率分布信息。

超高测量范围，测量1mΩ~100MΩ

高精密测量，动态重复性可达0.2%

全自动多点扫描，多种预设方案亦可自定义调节

快速材料表征，可自动执行校正因子计算

本文使用基于四探针法的Xfilm埃利四探针方阻仪，凭借智能化与高精度的电导率测量优势，助力钛基复合材料的电导率测定，推动电子器件领域的材料检测技术升级。