在我们日常生活的宏观世界中，空气无处不在。但在许多高科技领域，人们却在不遗余力地“赶走”空气，追求极致的真空环境。从粒子加速器到智能手机里的微型传感器，从卫星探测器到高端电子显微镜，真空是保障这些设备高性能、长寿命的核心要素之一。而在这一场“与气体的较量”中，有一种默默无闻却至关重要的“幕后英雄”——吸气剂靶材。它虽不起眼，却是现代真空技术中不可或缺的关键材料。今天，就让我们一起走进这个微小却伟大的世界，揭开吸气剂靶材的神秘面纱。

一、什么是吸气剂？

吸气剂，顾名思义，就是能有效吸着某些气体分子的功能材料。它们广泛应用于需要维持真空环境的各类器件中，从庞大的粒子加速器到微小的MEMS传感器，都离不开吸气剂的守护。

吸气剂可分为三大类：蒸散型、非蒸散型和复合型。

• 蒸散型吸气剂：通过高温加热使活性金属（如钡）蒸发，在腔体内壁形成吸附膜，适用于大体积真空腔体的快速抽气，但存在污染风险，不适用于密闭封装器件；

• 非蒸散型吸气剂：以锆（Zr）、钛（Ti）及其合金为基础，经激活处理后在表面形成高活性吸附层，具备无污染、低出气率、可长期稳定工作的优势；

• 复合型吸气剂：结合蒸散与非蒸散机制，实现初始快速吸气与长期维持真空的协同效应。

随着器件微型化趋势的推进，非蒸散型吸气剂因其可集成性与高可靠性，已成为当前主流发展方向。

二、吸气剂靶材的核心作用与技术要求

吸气剂靶材是用于磁控溅射等物理气相沉积（PVD）工艺中制备NEG薄膜的源材料。其本质为高纯度金属或合金制成的固体靶体，常见形状为圆形或矩形平板。在溅射过程中，靶材在等离子体轰击下释放原子，沉积于基底形成均匀、致密的吸气薄膜。

为确保所制备薄膜具备优异的吸气能力与工艺兼容性，吸气剂靶材需满足以下关键技术指标：

• 高纯度：主体金属纯度通常不低于99.95%，严格控制O、C、N、H、S等间隙元素含量。杂质元素易在溅射过程中引入夹杂物，导致薄膜缺陷或局部失效；

• 高致密度：相对密度应接近理论值，低孔隙率可有效抑制溅射过程中的微裂纹扩展与颗粒脱落，提升工艺稳定性；

• 成分均匀性：多组分合金靶材（如Zr-Co-Re）须保证各元素在宏观与微观尺度上的均匀分布，避免因择优溅射造成薄膜成分偏离设计配比；

• 细晶粒结构：晶粒尺寸控制在微米级以下，有助于获得表面平整、结构致密的沉积层，提升吸附活性面积；

• 良好热机械性能：具备足够的抗热震性与机械强度，以承受长时间高功率溅射带来的热应力冲击。

三、主流吸气剂靶材的材料体系

目前应用最广泛的吸气剂靶材主要包括以下几类：

1. Zr-Co-RE系列（稀土锆钴合金）：

• 特点：稀土元素（如La、Ce、Pr等）的加入可降低激活温度至250–450℃，且不含有害元素钒，更环保。

• 性能：以其为主要成分的薄膜吸氢速率可达50–850 mL·s⁻¹·cm⁻²，累积吸氢量为60–1000 Pa·mL·cm⁻²。

2. Zr-V-Fe系列（锆钒铁合金）：

• 优势：钒元素的存在使激活温度进一步降低（可至350℃），并提升对CO、N₂等气体的吸附能力。

• 应用：适用于需快速激活的精密器件，如非制冷红外探测器和高频谐振器。

3. Ti-Zr-V系列（钛锆钒合金）：

• 创新方向：通过多孔硅支架构建三维薄膜结构，比表面积提升6倍以上，吸氢速率可提高185%

四、 靶材的精密制备工艺

靶材的制备工艺直接决定其性能，主流方法包括熔铸法和粉末冶金法，现代工艺常将二者结合以优化效果：

1. 悬浮熔炼+热压烧结：

• 采用悬浮熔炼制备合金锭（如Zr-Co-RE），通过反复熔炼3–4遍确保成分均匀性。

• 控制合金粉末粒径在200–800目：粒径过大会影响烧结密度，过小则易引入氧杂质。

2. 气雾化+热等静压：

• 对锆钒铁等合金，采用气雾化技术将合金液滴化为微米级粉末，再通过热等静压（900℃、200 MPa）处理消除内部缺陷，使靶材密度接近理论值。

3. 工艺创新：例如在石墨模具内喷涂氮化硼涂料，可防止高温下碳元素渗入靶材，保障纯度

五、吸气剂靶材的关键应用

吸气剂靶材的应用领域十分广泛，涵盖了多个高科技领域。

• 微机电系统（MEMS） 中，薄膜吸气剂是真空封装的关键材料。传统单质金属如钛和锆的薄膜吸气剂吸气动力学不佳，而合金薄膜吸气剂能有效解决这一问题，显著提高器件使用寿命。

• 真空电子器件领域，吸气剂能短时间内将真空度提高到高真空水平（达10^{-4}帕以上），吸收器件工作时释放的气体，保证器件稳定工作。

• 太阳能集热管中，蒸散型吸气剂通过得钡量指标来评价其性能。钡铝镍吸气剂因其优异的性能指标，逐渐取代了钡钛吸气剂。

• 非制冷红外探测器是另一个重要应用领域。氧化钒薄膜作为该探测器的核心热敏材料，需要通过反应溅射沉积方法制备，而钒靶材在这一过程中发挥着不可替代的作用。

六、未来发展趋势

随着5G通信、物联网和人工智能技术的快速发展，对吸气剂靶材提出了更高要求。

• 材料体系创新方面，研究人员正在开发含有钪(Sc)和钇(Y)的新型合金体系。这些元素能提高主体元素钛或锆的吸气动力学，高效吸收MEMS芯片器件腔体的残余气体。

• 制备工艺优化方面，多层纳米复合薄膜材料如GaSb靶材正用于低功耗相变存储器，铝钪靶材则应用于5G通信中的体声波(BAW)技术，以开发新一代射频滤波器。

• 绿色环保是另一个重要方向。传统锆钒系吸气剂含有钒等元素，研究人员正在开发不含有害物质的锆钴稀土系吸气剂，使产品更加环保安全。

吸气剂靶材作为连接真空科学与先进制造的关键材料节点，虽处于产业链上游，却深刻影响着下游高技术产品的性能边界。其发展不仅依赖于材料科学的原始创新，更需融合冶金工程、表面物理、薄膜工艺等多学科知识体系。随着集成电路、量子信息、商业航天等新兴领域的快速演进，对高性能吸气材料的需求将持续增长。

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