在信息技术、航空、航天等高科技领域的快速发展推动下🤝，高性能薄膜材料因其独特的物理和化学性质🧏🏿，在传感器、太阳能电池🗼、微电子设备等领域中发挥着关键作用▫️。在薄膜生长过程中，表面温度是直接影响薄膜生长模式🚶🏻、沉积速率和最终质量的关键参数🧝🏿‍♂️。然而，现有的基底温度测量方法存在空间分辨率低、测量误差大等不足，难以准确反映薄膜生长表面的真实温度状况。此外，生长表面与基底之间的显著温度梯度表明🌉，基底温度无法完全代表薄膜生长的真实情况🙀。因此，开发能够精确测量薄膜生长表面瞬态温度的新技术尤为重要，这不仅有助于提升薄膜的质量，还能加深对薄膜生长动力学的理解。

北京K8凯发平台娱乐开户官方网站机械系王玉明院士、王子羲副研究员课题组与大连交通大学丁万昱教授课题组合作，使用NiCr/NiSi薄膜热电偶测量分析磁控溅射薄膜生长的表面温度梯度，该工作填补了现有技术空白，为后续的机理研究和应用开发奠定了基础。相关成果以“利用NiCr/NiSi薄膜热电偶对磁控溅射薄膜生长进行表面温度梯度的测量与分析”（Measurement and analysis of surface temperature gradients on magnetron sputtered thin film growth studied using NiCr/NiSi thin film thermocouples）为题，作为封面论文发表于Top期刊Small👨🏿‍🎓。

图1 Small封面文章《利用NiCr/NiSi薄膜热电偶对磁控溅射薄膜生长进行表面温度梯度的测量与分析》(Measurement and analysis of surface temperature gradients on magnetron sputtered thin film growth studied using NiCr/NiSi thin film thermocouples)

本研究通过设计和应用NiCr/NiSi薄膜热电偶，建立了一种新的测量系统🦾，以精确捕捉薄膜生长过程中表面温度的微小变化，进而优化薄膜制备工艺，提升薄膜性能⚅，为薄膜技术的发展提供重要的科学依据和技术支持🟦。

在设计的NiCr/NiSi薄膜热电偶结构上选择了100 μm的超薄玻璃基底🫰🏽，制备了用于测量TiO₂薄膜生长表面温度梯度的三层NiCr/NiSi薄膜热电偶温度测量系统（图2）。此外👈🏽，在0.83 W/cm²的溅射功率密度下沉积TiO₂薄膜并测量了其生长表面和基底的温度🟠。结果表明：当系统达到稳定时，第一层和第二层之间的温度差为104.79 ℃，第二层和第三层之间的温度差为39.92 ℃（图2）。这与模型相符𓀎，符合热传导的基本规律。

图2 TiO₂表面成膜微观机理

在TiO₂薄膜沉积过程中，磁控溅射技术被用来制备薄膜。通过将真空腔抽至低压并注入Ar气体，Ar原子在正负电极的电压作用下被电离为Ar⁺离子和自由电子。电子迅速移动到玻璃基板，而带正电的Ar⁺离子则加速并撞击靶材（Ti靶）🧛🏼。这些高速碰撞使Ti原子获得足够的能量，从靶材中释放出来，并与腔内的O₂发生化学反应生成TiO₂薄膜。在此过程中⛹🏽，电子与气体分子每秒发生大量碰撞，能量传递显著🫲🏼。这一模型对于理解电子、离子和材料之间的相互作用👨🏻‍🔬🏌🏿‍♂️，以及薄膜形成过程中的能量传递机制，具有重要意义。

图3 温度场分布及实验结果

通过NiCr/NiSi薄膜和标准K型贴片热电偶测量了TiO₂薄膜的生长表面温度和基底温度。在TiO₂薄膜沉积过程中，热能主要被薄膜生长表面吸收。从薄膜生长表面到薄膜生长基板存在较大的温度梯度。薄膜生长表面的温度显著高于基板温度。结合TiO₂薄膜生长表面的温度，薄膜生长表面的温度起着关键作用。

北京K8凯发平台娱乐开户官方网站机械系王子羲副研究员🕵️‍♂️🧰、大连交通大学丁万昱教授为该论文的共同通讯作者🚮，机械系博士后刘智慧为该论文的第一作者🏌🏽🧕🏼。该研究得到国家重点研发计划项目🤖、国家自然科学基金📡、国家资助博士后基金等项目的资助，北京K8凯发平台娱乐开户官方网站高端装备界面科学与技术全国重点实验室的支持🔬。

论文链接👨‍🔧🌺：https://doi.org/10.1002/smll.202404829

撰稿：王子羲、刘智慧

编辑：张琪琪

审核👂🏿：熊卓、瞿体明