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纳米硅(nc-Si)薄膜是硅纳米晶与非晶硅(a-Si)网络复合的一种半导体纳米材料，掺入氢后在室温下具有优良的综合性能，如高的电导率、对太阳光谱吸收系数大且带隙可调等等，可用于硅基发光二极管、薄膜晶体管和薄膜太阳能电池等光电器件。然而，利用现有的气相沉积技术难以实现高质量nc-Si薄膜的大面积快速制备，使得以nc-Si薄膜作为本征吸收层的大尺度薄膜太阳能电池的开发面临较大困难。中频磁控溅射技术具有设备简单、沉积速率快、氢的掺入量易于调节以及大面积镀膜均匀性较理想等优点，因此，开展中频磁控溅射技术制备nc-Si薄膜的研究具有重要的应用价值。
通常中频磁控溅射沉积nc-Si薄膜工艺的主要过程是:首先利用中频对靶磁控溅射系统制备非晶硅薄膜，然后经中高温退火获得晶化率低(＜50％)的nc-Si薄膜。本工作提出了一种利用中频孪生靶非平衡磁控溅射技术直接在基底上沉积nc-Si薄膜的新方法，利用该方法在玻璃基底上沉积nc-Si薄膜时，在较低的靶功率密度(～1W/cm2)条件下可获得超过35nm/min的沉积速率。在此基础上开展了中频孪生靶非平衡磁控溅射nc-Si薄膜沉积工艺的研究，并考察了工艺参数对nc-Si薄膜生长机制、组织结构及光学性能的影响。研究结果表明:
不施加外磁场和基底偏压时，在低溅射气压(0.2Pa)、较高的基底温度(≥530℃)下可沉积出nc-Si薄膜。薄膜微结构分析证实其生长初期存在一定厚度的非晶硅孕育层，且沿薄膜生长方向呈梯度分布，即随着沉积时间的增加，薄膜晶化率大幅度提高，晶粒尺寸也逐渐变大，薄膜表面粗糙度也会呈现单调增加趋势。生长动力学行为的研究结果显示，上述条件下nc-Si薄膜的生长呈现非稳态，且生长界面的演化与硅粒子晶化长大和阴影效应有关。
基底附近引入外磁场可在较大范围内调控辉光放电区等离子体参数，穿过基底区域的磁力线强度及磁场位形的变化影响基底的饱和离子电流密度，基底饱和离子电流密度的增加会增强薄膜生长表面吸附原子的局域扩散迁移能力，一方面可降低nc-Si薄膜的沉积温度且提高其晶化率和沉积速率，更重要的是能有效地抑制溅射沉积过程中束流随机噪声、阴影效应等生长机制的影响，降低非晶孕育层厚度及平滑薄膜生长界面。在本实验条件内，通过调节外加磁场强度和改变磁场位形，增加薄膜生长表面能量输入，利于薄膜的晶化，但过度的离子轰击则抑制了薄膜中晶体硅的生长，并导致应力的产生;当溅射气压较低时，薄膜中硅纳米晶平均尺寸较大(～10nm)，且在非晶硅网络中呈弥散分布;相应高的溅射气压时，硅纳米晶平均尺寸变小，且趋向于团聚在一起;另外，在较高的气压和外加磁场下，可实现nc-Si薄膜沉积的稳态生长。
等离子体中电介质层表面充放电效应分析的结果表明，采用一定频率的脉冲电源可以消除溅射沉积过程中硅薄膜表面电荷的累积，在基底表面形成加速电场，实现其表面离子轰击状态的可控。实验证实，在玻璃和不锈钢基底上施加双极脉冲偏压可调控沉积的nc-Si薄膜结构。本工作获得的nc-Si薄膜光学带隙在1.5-1.85eV之间。