掺铝氧化锌（AZO）陶瓷靶材和薄膜的研究

《Materials Today Communications》：Investigation of Al-Doped ZnO (AZO) Ceramic Targets and Thin Films

本研究采用火花等离子体烧结（SPS）制备了不同铝掺杂浓度的Al-doped ZnO（AZO）陶瓷靶材，并利用射频磁控溅射沉积薄膜。系统研究了铝掺杂浓度对AZO靶材和薄膜微观结构、致密化及光电性能的影响。结果表明，2 at%掺杂的靶材致密度最高（99.40%），但4 at%导致ZnAl?O?相形成，影响致密化；薄膜方面，2AZO样品在透射率（88.37%@1095.8 nm）和电阻率（3.563×10?3 Ω·cm）综合性能最优。研究揭示了Al掺杂对SPS工艺中相变及薄膜性能的双重作用机制

　　

李朝阳|周莉|陈志勇|侯建|陈冲|宋亚虎

洛阳理工学院智能车辆工程学院，中国洛阳471023

摘要

本研究分别采用火花等离子烧结（SPS）和射频磁控溅射技术制备了掺铝的ZnO（AZO）陶瓷靶材和薄膜。铝的掺杂浓度分别为1%、2%、3%和4%。系统研究了不同铝掺杂浓度对AZO靶材和薄膜的微观结构、致密化程度及光电性能的影响。结果表明，所有AZO靶材的相对密度均高于98%，其中2AZO靶材的密度最高，达到99.40%。然而，过量的铝掺杂（4%）会导致ZnAl?O?相的形成，从而对致密化产生负面影响。铝掺杂还显著提高了靶材的电导率，4AZO靶材的电导率最低，为10 mΩ/□。在后续的薄膜制备过程中，使用聚酰亚胺（PI）基底进行薄膜沉积，而钠钙玻璃基底仅用于透射率测量。铝掺杂改善了薄膜的质量、结晶度及整体光电性能；但在高掺杂水平下，晶体生长受到抑制，导致薄膜性能下降。在所有样品中，2AZO薄膜表现出最佳的整体性能（在1095.8 nm波长下的透射率为88.37%，电阻率为3.563×10?3 Ω·cm）。

引言

透明导电氧化物（TCO）薄膜在包括太阳能电池、液晶显示器、发光二极管和气体传感器在内的多种光电应用中已成为不可或缺的材料[1]、[2]、[3]。其中，氧化铟锡（ITO）薄膜因其优异的电导率和透明度而最为常用。然而，由于铟的资源有限以及需要高温处理，ITO的成本较高，这成为大规模低成本生产的重大障碍[4]、[5]、[6]。

目前，掺铝的氧化锌（AZO）薄膜作为ITO的替代品受到了越来越多的关注。AZO薄膜具有许多优势，如无毒、化学稳定性高、原材料丰富且成本显著降低。更重要的是，AZO具有优异的光电性能，使其成为下一代光伏器件中透明电极和窗口层的理想候选材料[7]、[8]。随着可穿戴和柔性电子产品的快速发展，沉积在柔性基底上的AZO薄膜成为研究热点。这些柔性AZO薄膜不仅保持了优异的电学和光学性能，还具有机械柔韧性、轻质结构、抗冲击性以及适合大规模低成本生产的特性[9]、[10]、[11]。与ITO薄膜相比，AZO薄膜具有更好的机械柔韧性，使其成为柔性电子产品的理想选择。此外，AZO/金属/AZO多层结构[12]、[13]已成功应用于各种柔性光电器件中，提高了材料的延展性和柔韧性。这些优势使得AZO成为柔性显示器、触摸屏和其他新兴技术应用中的理想材料。

AZO薄膜的质量和性能与其沉积过程中使用的靶材性能密切相关。AZO靶材的制备方法主要包括热压烧结、冷等静压烧结和热等静压烧结。然而，这些传统烧结技术存在生产周期长和成本高的缺点。火花等离子烧结（SPS）是一种利用脉冲电流产生瞬时高温的快速烧结技术，能够快速实现粉末烧结。与传统烧结方法相比，SPS具有均匀加热、加热速度快、烧结温度低、烧结时间短和生产效率高等优点[14]、[15]。因此，越来越多的AZO靶材采用SPS技术制备。

本研究系统探讨了铝掺杂浓度对通过火花等离子烧结制备的AZO靶材的结构、电学和光学性能的影响，以及通过射频磁控溅射沉积的相应AZO薄膜的性能。本研究的新颖之处在于揭示了铝在促进致密化和第二相形成中的双重作用，阐明了掺杂水平与SPS过程中相变之间的关联，建立了靶材质量与薄膜性能之间的直接联系，并确定了实现高性能靶材和薄膜的最佳掺杂浓度。这些发现为AZO材料的加工-结构-性能关系提供了新的见解，并为其在柔性光电器件中的应用提供了实用参考。

部分内容摘要

靶材的制备

采用高纯度ZnO（99.99%）和Al?O?（99.99%）粉末通过球磨法制备AZO粉末。粉末在200 rpm/min的研磨速度下混合15小时。铝的掺杂浓度分别为1%、2%、3%和4%，对应的标记分别为1AZO、2AZO、3AZO和4AZO。

使用制备好的AZO粉末通过火花等离子烧结（SPS）技术制备了AZO靶材。AZO靶材的制备过程遵循了优化的工艺参数

结构性能

图1展示了AZO靶材的XRD图谱。结果表明，AZO靶材具有立方纤锌矿结构（PDF#36-1451）[16]。明显的尖锐衍射峰表明AZO靶材具有优异的结晶度。在图1的插图中，4AZO靶材中观察到了一个与ZnAl?O?相对应的弱衍射峰。在低掺杂浓度（铝原子含量<3%）下，铝原子仍保持在溶解限度内

形态分析

图5展示了AZO薄膜的表面形态。图5(a)中，ZnO薄膜的颗粒呈花瓣状，均匀且致密。当铝的掺杂量为1%时，1AZO薄膜的颗粒会生长；然而，如图5(b)所示，薄膜表面出现了许多孔洞。自由电子的引入增加了空穴和间隙原子的复合速率[19]，从而降低了晶核生长的阻力，加速了颗粒生长

结论

本研究通过火花等离子烧结（SPS）技术制备了AZO靶材，并研究了铝掺杂浓度对其性能的影响。结果表明，铝原子在烧结过程中起到活化作用，显著提高了AZO靶材的质量。铝掺杂后，AZO靶材中形成了烧结颈，使断裂模式从晶间转变为晶内断裂，从而显著降低了

作者贡献声明

陈志勇：监督、资源协调。侯建：数据管理。陈冲：撰写-审稿与编辑、监督、项目管理、数据分析。宋亚虎：方法学研究、实验设计。李朝阳：初稿撰写、方法学研究、资金申请、数据分析、数据管理。周莉：资金申请。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了河南省科学技术研究项目（252102231068）、河南省高等学校重点研究项目（25B430029）、河南省重大科学技术项目（251100220200）以及河南省重点研发项目（241111231200）的支持。