不同基底温度与铌掺杂水平下栅极辅助磁控溅射制备掺铌二氧化钛薄膜的性能研究及其在透明导电应用中的潜力

本综述系统探讨了通过栅极辅助磁控溅射（GAMS）技术在不同基底温度与铌（Nb）掺杂水平下制备的掺铌二氧化钛（NTO）薄膜的多功能特性。研究揭示了基底加热显著提升薄膜结晶度与晶粒生长，而Nb掺杂有效改善载流子传输，使电阻率降低达5个数量级（最低至10?2 Ω·cm），同时保持70%以上的平均透光率。该工作为开发替代传统氧化铟锡（ITO）的透明导电氧化物（TCO）提供了关键参数优化策略，对推动光电设备与清洁能源技术发展具有重要意义。

　　

Highlights

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  X射线衍射（XRD）
  XRD图谱（图3(a)）显示所有样品中均出现锐钛矿（101）晶面的结晶特征。图3(b)通过高斯拟合与背景扣除处理（范围24.0° ≤ 2θ ≤ 26.5°），测得平均峰位为(25.2 ± 0.1)°，与文献报道的锐钛矿相典型峰位(25.4 ± 0.1)°高度一致[[13], [14], [15],22,[51], [52], [53], [54], [55], [56], [57], [58], [59], [60]]。此外，归属于NTO薄膜的A(101)衍射峰进一步证实了铌成功掺入二氧化钛晶格结构。
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  结论
  本研究证明基底温度与铌浓度是调控栅极辅助磁控溅射制备NTO薄膜结构、化学、光学与电学性能的关键参数。基底加热显著提升结晶度、促进晶粒生长，并实现铌以无二次相形式掺入TiO₂晶格。电学测量表明电阻率大幅下降，数值低至10^?2 Ω·cm（较未掺杂样品降低五个数量级），且铌浓度低于1.0%。光学性能分析显示可见光区平均透射率超70%，证实其具备透明导电氧化物（TCO）的应用潜力。化学分析揭示了Nb⁵⁺态的存在以及300 °C沉积样品中铌向表面的偏聚现象。未观察到热电效应。这些发现凸显了栅极辅助磁控溅射制备的NTO薄膜在透明导电领域的功能可调性与应用前景。

CRediT authorship contribution statement

Francisco Alfaro: 撰写-审阅与编辑、原始稿撰写、可视化、验证、监督、软件、方法论、调研、形式分析、数据整理、概念化。

Aline M. Morais: 撰写-审阅与编辑、软件、方法论、调研、形式分析。

Rafael G. Delatorre: 撰写-审阅与编辑、验证、方法论、调研、形式分析。

Julio C. Sagás: 撰写-审阅与编辑、验证、资源、方法论。

Declaration of competing interest

作者声明不存在任何可能影响本研究成果的已知竞争性财务利益或个人关系。

Acknowledgements

作者感谢CNPq（资助号：304053/2021-0、307408/2021-3、406376/2022-0、310795/2022-2 及 301715/2025-4）、FAPEMIG（资助号：PPM-000431-17）与圣卡塔琳娜州研究创新基金会（FAPESC，Edital 21/2024）的财务支持。作者感谢圣卡塔琳娜州立大学科技中心的多用户平台基础设施。Carlos J. Tavares acknowledges the funding from FCT/PIDDAC through the... [后续原文未完整提供]