通过射频(RF)磁控溅射合成了近等原子比TiZrHfNbTa高熵合金薄膜，以系统性地研究溅射功率(100–500 W)、工作压力(0.1–2.0 Pa)和基底温度(室温(RT)–300 °C)分别对成分、微观结构和力学行为的影响。全面的表征(能量色散X射线谱(EDS)、掠入射X射线衍射(GIXRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、纳米压痕)证实，在所有条件下均保持了稳定的近等原子比。功率和温度的提升增强了结晶度和晶粒粗化，促进了单相体心立方(BCC)结构的形成。优化的沉积条件(300 W, 0.2 Pa, 300 °C)获得了最高的硬度(13.2 GPa)、弹性模量(168.7 GPa)和塑性变形抗力，这归因于薄膜的致密化和纳米尺度晶粒。相比之下，低功率或高压力会产生非晶或多孔形貌，严重降低力学性能。沉积速率随功率和温度的增加线性增长，但由于等离子体散射效应，随压力的增加呈现不规则变化。这项工作建立了可靠的参数、微观结构和性能关系，为定制具有卓越硬度、耐磨性和结构完整性的高熵合金薄膜以满足苛刻服役环境需求提供了实用框架。
**研究背景与意义**
高熵合金(HEAs)，亦称多主元合金、多组元合金或复杂浓集合金，其概念最初由J.-W. Yeh和B. Cantor等人于2004年提出，定义为至少包含五种金属元素且浓度为等原子或近等原子比(5-35 at.%)的固溶体合金。随着研究的深入，HEAs的定义框架已超越传统的成分范畴，日益强调基于热力学熵的考虑。高熵合金凭借其四大核心效应——高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和鸡尾酒效应，展现出高硬度与强度、高抗疲劳性与断裂韧性、高温抗氧化性、高耐腐蚀性以及独特的电磁性能等优异特性，使其在工程应用中具备巨大潜力。然而，大块高熵合金的制备方法相对繁琐，难以精确控制形状与元素成分比，且含贵金属元素的HEAs成本高昂。因此，研究人员转向探索低成本的二维高熵合金薄膜(HEFs)的制备及其作为低成本金属基体的应用潜力。研究表明，高熵合金薄膜与块体HEAs具有相似的优异性能，其微米或纳米厚度赋予其独特的物理化学性质。
**研究问题与目标**
目前，已有多种方法用于制备高熵合金薄膜，其中磁控溅射作为一种物理气相沉积(PVD)技术，因其沉积温度低、化学成分可控性强而成为主要方法。沉积参数在磁控溅射制备HEA薄膜过程中对薄膜结构与性能起着决定性作用。先前研究已表明，气体流量、溅射功率、基底偏压和基底温度等参数强烈影响着相形成与微观结构演变。然而，大多数已有研究聚焦于不同成分的HEA体系或氮化物体系，而针对基于TiZrHfNbTa体系的难熔高熵合金金属薄膜，特别是其在不同溅射参数下的结构与性能演变规律，研究尚不充分。因此，本研究旨在通过系统性地改变溅射功率、工作压力和基底温度，制备TiZrHfNbTa高熵合金薄膜，并系统研究这些沉积参数对薄膜化学成分、微观结构和力学性能的影响，从而阐明其参数依赖的微观结构演化与力学行为，为可控制造与优化难熔HEA薄膜提供指导。
**关键技术与方法**
本研究采用射频(RF)磁控溅射技术，在频率为13.56 MHz的条件下，于单晶Si(110)基板上沉积了一系列标称等原子比的TiZrHfNbTa高熵合金薄膜。溅射靶材为直径60 mm、厚度5 mm的TiZrHfNbTa合金圆盘，由中诺先进材料(北京)科技有限公司通过熔炼工艺制备，其纯度经电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)分析确认。研究人员通过系统调控溅射功率(100-500 W)、工作压力(0.1-2.0 Pa)和基底温度(室温-300 °C)进行薄膜沉积。薄膜的表征手段主要包括：使用台阶仪(Dektak-XT)测量厚度并计算沉积速率；使用EDS分析元素成分；使用GIXRD和TEM分析晶体结构与微观形貌；使用纳米压痕仪测试力学性能（硬度和弹性模量）。
**研究结果**
**沉积速率与元素浓度**
研究人员测量了不同参数下沉积的TiZrHfNbTa高熵合金薄膜厚度并计算了沉积速率。结果显示，随着溅射功率从100 W增加到500 W，薄膜沉积速率从7.53 nm/min显著增加到27.33 nm/min。类似地，提高基底温度也使沉积速率增加。然而，工作压力的增加对沉积速率的影响呈现不规则变化，这主要是由于气压升高导致等离子体中粒子散射增强所致。值得注意的是，EDS分析表明，在所有实验条件下制备的薄膜均保持了稳定的近等原子比成分，证明了该沉积工艺的成分可控性。
**微观结构演化**
GIXRD和TEM分析揭示了沉积参数对薄膜微观结构的显著影响。随着溅射功率的提升(100-500 W)，薄膜结构从非晶或具有极小晶粒的纳米晶态逐渐演变为结晶度高、晶粒粗大的单相BCC固溶体结构。提高基底温度(室温至300 °C)同样促进了结晶度的提高和晶粒的生长。相反，在低功率或高工作压力条件下沉积的薄膜倾向于形成非晶或多孔结构，这归因于较低的沉积能量和/或较强的粒子散射阻碍了原子的表面扩散与重排。优化条件(300 W, 0.2 Pa, 300 °C)下获得了致密且具有纳米尺度晶粒的完全结晶薄膜。
**力学性能**
纳米压痕测试表明，薄膜的力学性能与其微观结构密切相关。在优化沉积条件下获得的致密纳米晶BCC结构薄膜表现出最佳的综合力学性能：最大硬度达到13.2 GPa，弹性模量为168.7 GPa，并具有优异的塑性变形抗力。这主要归功于高结晶度、细小的纳米晶粒以及致密的薄膜结构所带来的强化效应。相反，低功率或高压力下沉积的非晶或多孔薄膜，其力学性能（如硬度）出现严重下降。
**讨论与结论**
本研究系统性地阐明了溅射功率、工作压力和基底温度这三个关键沉积参数对TiZrHfNbTa高熵合金薄膜的成分、微观结构及力学性能的调控规律。研究证实，通过提高溅射功率和基底温度，可以有效提升沉积原子的能量和表面迁移率，从而促进薄膜的致密化、结晶以及单相BCC固溶体的形成与晶粒长大。而工作压力的增加虽然对沉积速率有复杂影响，但过高的压力会因等离子体散射而降低到达基板的粒子能量，不利于结晶，易导致非晶或多孔结构。这些微观结构的差异直接决定了薄膜的力学性能，其中致密的纳米晶BCC结构赋予了薄膜最高的硬度与模量。
研究结论明确指出：本研究通过RF磁控溅射成功制备了近等原子比TiZrHfNbTa高熵合金薄膜，并系统建立了沉积参数、微观结构与力学性能之间的可靠关联。提升功率和温度有利于形成并粗化单相BCC固溶体结构，而提高工作压力则会抑制结晶。在优化参数(300 W, 0.2 Pa, 300 °C)下，获得了具有最大硬度(13.2 GPa)、高弹性模量(168.7 GPa)和优异抗塑性变形能力的致密纳米晶薄膜。本工作为设计和定制具有优异硬度、耐磨性和结构完整性的难熔高熵合金薄膜，以满足严苛服役环境的要求，提供了实用的设计框架和理论依据。
