二氧化钛（TiO₂）是已知最白的材料之一，具有较高的折射率和约3 eV的光学带隙，使其成为着色和紫外线过滤的首选颜料。它具备优良的光学、介电和电子性能，广泛应用于各种电子系统中，如电容器、光伏器件和固态传感器[1,2]。在TiO₂的不同多晶型中，锐钛矿相在催化领域尤其是光催化领域得到广泛应用[3]。通常，制备高质量的多晶或纳米晶TiO₂薄膜需要超过200°C的沉积温度。因此，为了扩展TiO₂薄膜在温度敏感基底（如聚合物基材）上的应用范围，有必要寻找降低其结晶温度的方法。这样的纳米晶薄膜可用作催化系统的电极和基底，或进一步功能化以赋予其所需的表面化学性质[4]。虽然直接生长结晶态TiO₂是最理想的，但如果能够将热负荷降至最低，包括后续退火步骤的方法也是可行的。
借助等离子体的物理气相沉积（PVD）技术有助于降低所需的沉积温度。这是通过激活反应等离子体中的原子和分子前驱体来实现的[5]，并通过提高这些物种的能量来增强非热能量输入。在PVD过程中，还可以通过蒸发物的电离进一步增加能量输入，即使用离子而非中性原子来形成薄膜[6]。安德斯（Anders）提出的结构区模型可以说明这种高能沉积条件下的生长过程[6]。
在各种PVD方法中，反应磁控溅射因其可扩展性、灵活性和工业实用性而备受青睐。高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）是一种电离形式的磁控溅射技术，已被广泛用于制备具有改进性能的薄膜[7]。例如，对于通过反应HiPIMS沉积的不同过渡金属氧化物（如VO₂），在离子辅助下，实现热致变色相所需的温度可从约500°C降至350°C[8, [9], [10]]。同样，多项研究也表明离子辅助沉积对TiO₂薄膜的结构性能有积极影响[11, [12], [13], [14]]。
我们之前已经报道了通过反应磁控溅射合成TiO₂薄膜的研究，并比较了反应HiPIMS与标准脉冲直流磁控溅射（pDCMS）[15]的效果。在较长的基底-靶材距离下，即使基底温度高达100°C，沉积的薄膜仍为X射线非晶态[11,16]。尽管薄膜呈X射线非晶态，但沉积过程仍显著影响了其光催化活性（通过催化硬脂酸的光降解实验确定）。这些结果与先前关于HiPIMS沉积TiO₂光催化活性的研究结果一致[11]。这自然引出了一个问题：X射线非晶态薄膜是否含有常规X射线衍射分析无法检测到的结晶核或纳米颗粒，从而激发了对该合成过程的进一步研究兴趣。
本研究的目的是评估通过HiPIMS和pDCMS沉积的TiO₂薄膜在沉积后退火处理下的结晶动力学。尽管所有沉积态（前驱体）薄膜均为X射线非晶态，但微观结构的差异仍可能影响结晶过程[17]。因此，我们分别使用反应pDCMS和HiPIMS制备了多种X射线非晶态TiO₂薄膜，并通过原位等温退火研究了结晶动力学，同时结合了体外等温退火和薄膜表征。为了便于比较结晶动力学，结果基于阿夫拉米模型（Avrami model）进行了分析，该模型考虑了等温退火过程中固态块材的一级转变[18,19]。
