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Al2O3具有较高的硬度和耐磨损性,良好的热传导性、光学透过性以及化学稳定性,广泛应用于光电器件、机加工业和航空航天等领域。常用的物理气相沉积（PVD）方法只有在较高的基片温度下（>500℃）才能够获得性能更好的晶态Al2O3薄膜,这在很大程度上限制了Al2O3薄膜的应用领域。针对这一难题,本研究提出了孪生靶反应高功率脉冲磁控溅射（Twin Targets Reactive High Power Impulse Magnetron Sputtering,TTR-HiPIMS）技术,采用Langmuir探针、等离子体质谱（MS）和2维PIC-MCC（Particle in Cell-Monte Carlo collision）模拟等手段对放电过程中的等离子体参数进行了研究,揭示了孪生靶放电不对称性的形成机制,并实现了高质量γ-Al2O3薄膜的低温制备。采用Langmuir探针和等离子体质谱研究了磁场结构（镜面磁场和闭合磁场）对TTR-HiPIMS放电特性的影响。研究结果表明:相对于闭合磁场结构,镜面磁场放电具有更高的等离子体电势、悬浮电势和电子温度,但是,闭合磁场条件下的电子密度明显高于镜面磁场,其峰值电子密度约为镜面磁场的1.3倍。两种磁场结构放电中的时间平均离子能量分布函数（IEDFs）较为相似——均包含一个含量最多的低能量峰、一个含量适中的中能量峰和高能尾部。在镜面磁场条件下,各峰值强度对应的离子能量要明显高于闭合磁场,而闭合磁场放电中的离子密度要明显的高于镜面磁场。不同磁场结构溅射时的离子密度及其随脉冲时间的演变过程与各自的电子密度发展有很强的关联,其中镜面磁场放电中的离子密度在放电脉冲结束时到达最高值,而在闭合磁场中,由于其较强的电子束缚能力,离子密度在放电结束10μs后才到达峰值。为了更好的了解闭合磁场TTR-HiPIMS的放电特性,对闭合磁场放电中不同几何位置的等离子体参数进行了检测,研究发现:在电压脉冲施加期间,放电的等离子体电势、悬浮电势、有效电子温度都要经历先迅速升高、后立即降低然后再缓慢增加的发展过程,在放电脉冲结束后,这些放电等离子体参数均呈现出双级指数型衰减过程,即由开始时漂移主导的快速衰减转变为后期扩散主导的缓慢衰减过程;对电子密度来说,它在放电开始后的60μs（放电脉宽为40μs）内都呈线性增加趋势,然后才开始双级指数型衰减过程。在放电脉冲关闭期间,基片位置的电子密度均高于1×1016m-3,这些残留的电子可以对下一个脉冲激发过程起到很好的预离化作用,因此TTR-HiPIM更容易的在低工作气压下进行放电。对溅射靶材几何对称位置（y=-40mm和y=40mm）的放电等离子体参数进行对比后发现,除了等离子体电势外,靶材左跑道区（y=40mm）的悬浮电势要明显低于靶材右跑道区（y=-40mm）,但这一位置的有效电子温度和电子密度却要明显高于靶材右跑道区,即产生了“放电不对称性”。为了确定闭合磁场放电不对称性产生的物理机制,采用2维PIC-MCC模拟方法,建立了短脉冲闭合磁场TTR-HiPIMS放电过程的仿真模型,模拟了放电过程中的等离子体传输和电学参数发展过程。模拟结果表明:阴极靶材表面的电势分布呈现出明显的径向依赖性,电势梯度在靶材的跑道区最为陡峭;放电中存在的粒子（e-、Ar+和O2+）主要分布于靶材的跑道区（race track）,其密度和能量均随着放电的进行而迅速增加。在放电电场和磁场联合作用下,放电中的电子会受到包括电场漂移、磁场梯度漂移和曲率中心漂移等不同的导向中心运动,但引起放电不对称性的最主要原因是“磁场梯度漂移”。为了验证TTR-HiPIMS技术在沉积绝缘薄膜时的优异特性,采用TTR-HiPIMS方法制备了Al2O3薄膜,并分别研究了磁场结构、O2流量、基片温度以及基片偏压对Al2O3薄膜组织结构和表面形貌的影响规律:在相同的基片加热温度（300℃）下,不同磁场结构沉积的薄膜表面光滑,晶粒较小,且均呈现压应力,但镜面磁场沉积的薄膜的O/Al原子比要低于闭合磁场（1.43<1.51）;当放电中的O2流量由8sccm逐渐增加到16sccm时,薄膜的沉积速率由110nm/h降低到85nm/h,其表面缺陷密度随着O2流量的增加呈现出增加趋势;随着薄膜沉积温度的增加,Al2O3薄膜的晶粒尺寸由15nm增长到25nm,其表面粗糙度也由2.06nm增加到4.24nm;当脉冲偏压为-40V时,γ-Al2O3薄膜的沉积温度可以被降低到230℃,在ITO玻璃基片上沉积的Al2O3薄膜的光学透过率大于80%。通过对实验结果的理论分析可知,晶态薄膜的低温制备主要归因于TTR-HiPIMS放电中存在的较高的离子/金属原子流量比（Ji/JMe>10）和入射离子能量,高流量离子的轰击能够很好的增强薄膜表面原子的扩散能力,弥补原本需要由热能提供的结晶激活能,促进晶态Al2O3薄膜的低温制备。