《Journal of Alloys and Compounds》：Microstructure and tensile fracture behavior of silica optical fibers metallized with different metals by magnetron sputtering
编辑推荐：
光纤表面金属化对机械性能的影响研究基于磁控溅射技术制备Al、Ta、Zn、Mo、Cu、Ag六种镀层，系统分析微观结构与拉伸断裂行为的关系。研究发现除Zn镀层疏松多孔外，其他金属形成致密柱状结构，其中Mo和Ag涂层强度与稳定性最优，而Zn虽强度高但耐氧化性差。力学性能受镀层厚度、致密性和界面粘附共同影响，失效前存在多次界面脱粘与再粘合过程，揭示镀层韧性与界面粘附共同决定断裂路径。该研究为高可靠性光纤金属化工艺优化提供理论依据。
魏张|李欣怡|钟金|李涛|于建科|胡方仁
南京邮电大学电子光学工程学院与柔性电子学院（未来技术），中国南京，210023
摘要
为了解决传统无电镀和电镀工艺在环境兼容性、薄膜可控性和微机械性能方面的局限性，本研究采用磁控溅射技术在相同条件下沉积了六种类型的金属化二氧化硅光纤，所用金属包括铝（Al）、钽（Ta）、锌（Zn）、钼（Mo）、铜（Cu）和银（Ag）。系统地研究了这些光纤的微观结构及拉伸断裂行为。除锌（Zn）外，大多数金属薄膜涂层均呈现致密连续的柱状晶粒结构，而锌涂层则具有高度多孔且松散的絮凝形态，易于氧化。不同金属的涂层厚度、致密性和界面粘附特性的差异直接影响了金属化二氧化硅光纤的拉伸性能。剥离测试进一步揭示了各涂层之间界面结合强度和稳定性的显著差异，突显了结合强度和均匀性对机械可靠性的综合影响。钼（Mo）和银（Ag）涂层的光纤表现出更优异的强度和稳定性，而锌（Zn）涂层尽管具有较高的拉伸强度，但可能存在长期可靠性问题。相比之下，铝（Al）涂层的光纤强度相对较低，钽（Ta）和铜（Cu）涂层的光纤则表现出较大的批次间差异。载荷-时间曲线分析表明，在宏观脆性断裂之前，金属化光纤可能经历多次界面脱粘和重新加载现象，这表明涂层延展性和界面粘附性共同决定了其失效路径。本研究明确了金属类型、薄膜结构、环境稳定性和机械响应之间的明确关联，为优化材料选择和溅射工艺以制备高可靠性金属化二氧化硅光纤提供了依据。
引言
光纤在通信、传感和精密测量领域得到了广泛应用。然而，在许多实际应用中，如光学设备封装、密封以及在恶劣环境下的电光集成中，裸光纤表面通常需要导电或可焊接的金属涂层以实现功能化[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。一个核心挑战在于在不损害光纤机械或光学性能的前提下赋予其导电性、可焊性和密封性，这仍是一个重要的跨学科研究课题。直接在裸光纤表面沉积金属层（光纤金属化）可以提供可焊接/可钎焊的界面、电磁屏蔽和接地功能，以及用于表面等离子体共振（SPR）激发的光学活性表面，从而将光纤应用于密封封装、真空或高压传输以及多物理传感系统[6]、[7]、[8]。
传统的光纤金属化主要依赖于电镀或无电镀工艺，这些方法因其技术成熟度、低成本和适合工业规模生产而得到广泛应用[2]、[3]、[5]、[7]、[8]。这些湿化学方法通常会产生厚而致密的涂层，对裸光纤具有双重钝化和缓冲作用，有助于保持甚至增强光纤的强度[7]、[9]。然而，它们在环境可持续性、薄膜微观结构可控性和严格预处理要求方面的局限性限制了进一步的发展[10]、[11]。相比之下，基于真空的物理气相沉积（PVD）技术，如磁控溅射、电子束/热蒸发和原子层沉积（ALD），在薄膜厚度控制、合金化或多层设计灵活性以及环境适应性方面具有优势[12]、[13]、[14]。尽管溅射涂层通常较薄且表面更光滑，但它们往往具有较高的内部应力和柱状微观结构，可能导致断裂载荷降低和界面裂纹[12]、[13]。尽管如此，磁控溅射在涂层均匀性、成分可调性和界面兼容性方面的优势使其在需要精确微观结构控制和高可靠性的应用中极具吸引力[14]、[15]。
目前关于光纤金属化的研究主要分为两个方向：一是专注于功能性和传感设备，其中金属涂层被沉积在裸光纤或光纤光栅上以激发SPR[16]、[17]，或用于构建高灵敏度的生物化学和环境检测复合材料[1]、[4]、[18]、[19]、[20]；二是强调工程可靠性、封装和互连，金属化光纤作为密封传输介质、可焊接终端或在高温或腐蚀性环境下的互连组件[5]、[8]、[21]。前者旨在实现纳米级光学调制，而后者则需要具有高粘附性、延展性和长期稳定性的涂层。
然而，从机械角度来看，尽管金属化光纤具有更好的环境适应性和保护性能，但其拉伸强度往往低于聚合物涂层光纤。这种性能下降主要是由于金属化过程中产生的残余应力、界面缺陷和脆性断裂路径[22]、[23]。具有高内部应力的金属涂层、较差的粘附性或不连续的岛屿状形态在拉伸或弯曲时容易产生应力集中，成为裂纹起始点，从而降低断裂强度[12]、[23]。相反，薄而均匀、粘附良好的延展性薄膜（如金（Au）或镍（Ni）可以有效重新分配局部应力并提供机械缓冲，理论上可以提高抗疲劳性能[22]、[24]、[25]。金属化光纤的机械性能还受到金属类型（脆性或延展性）、薄膜厚度、表面粗糙度、预处理方法（如等离子体活化或微粗糙化）以及沉积后处理（如退火以释放应力或促进晶粒生长）等因素的影响[6]、[21]、[23]、[25]、[26]。此外，涂层工艺是否覆盖或放大光纤表面的原有缺陷也是决定断裂行为的关键因素[27]。因此，优化PVD工艺，特别是磁控溅射以制备致密、低应力的涂层，为平衡金属化光纤的功能性和机械可靠性提供了有前景的策略。
尽管如此，当前的光纤金属化技术仍主要依赖于无电镀和电镀工艺。尽管磁控溅射已在少数研究中得到应用，但大多数研究集中在光学调制或SPR特性上，而非微观结构演变和机械可靠性方面。将涂层结构与拉伸性能联系起来的系统分析仍较少，不同金属材料在相同溅射条件下的效果也尚未明确，这阻碍了实际应用中的材料选择。为解决这些问题，本研究系统地研究了在相同溅射条件下用六种代表性金属（铝（Al）、钽（Ta）、锌（Zn）、钼（Mo）、铜（Cu）和银（Ag）金属化的石英光纤。通过对样品的微观结构形态和拉伸断裂行为进行表征，并将每种金属的固有物理性质与薄膜致密性、晶粒结构、界面连续性和断裂起始特征相关联，本研究阐明了不同金属系统在承载能力、失效模式和应力传递方面的差异。需要注意的是，本研究主要关注金属化光纤的微观结构和机械性能方面，光学性质未在此讨论，未来工作中将予以探讨。研究结果为溅射金属化光纤的材料选择和工艺优化提供了比较见解和实验证据，为未来开发多层涂层和界面工程策略以实现可靠的高性能光纤-金属集成奠定了基础。
实验程序
在金属化之前，光纤经过了三步预处理：去除涂层、组装夹具和等离子清洗。如图1(a)所示，使用激光剥离系统（LMT-C30F2）去除了目标金属化区域的5毫米长聚合物涂层。然后用无绒布擦拭沿光纤轴线轻轻擦拭，用无水乙醇清洁暴露的光纤表面，以去除残留的涂层碎片和吸附的杂质。
结果与讨论
图2展示了金属化光纤的SEM形态。如图2(a)所示，所有金属涂层（锌（Zn）除外）均呈现致密连续的结构，曲率平滑，与光纤表面贴合良好，没有明显的孔洞、裂纹或分层现象。涂层紧密附着在二氧化硅基底上，保持了良好的界面一致性。相比之下，锌（Zn）涂层表面显得粗糙且多孔，具有松散的絮凝形态。
结论
- (1)
通过磁控溅射成功在二氧化硅光纤上沉积了六种类型的金属涂层。在相同的溅射条件下，铝（Al）、钽（Ta）、钼（Mo）、铜（Cu）和银（Ag）涂层呈现致密的柱状晶粒结构，而锌（Zn）涂层则呈现多孔的、松散的絮凝岛屿状形态。
- (2)
金属化光纤的拉伸性能主要受涂层结构完整性和界面粘附特性的影响，这两者共同决定了其承载能力
作者贡献声明
胡方仁：项目管理、资金获取。
魏张：写作——审稿与编辑、初稿撰写、监督、资金获取、正式分析。
李欣怡：初稿撰写、数据可视化、实验研究。
钟金：数据验证、资源调配、实验研究。
李涛：数据验证、方法论设计。
于建科：项目管理、资金获取。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究部分得到了国家自然科学基金（NSFC）项目51602160和61605086的支持，部分得到了江苏省自然科学基金项目BK20150842的支持，还得到了南京邮电大学人才项目（NUPTSF）项目NY222127的支持。作者同时感谢东莞祥通光电科技有限公司在项目编号2023-327中的财务支持。
