AZO靶材晶粒尺寸调控：溅射薄膜光电性能优化的关键机制

本研究针对透明导电薄膜光电性能优化难题，通过砂磨-喷雾造粒技术制备20.5 μm近球形AZO粉体，采用两步烧结法制备晶粒尺寸3.61-9.04 μm的高密度靶材（99.9%），系统探究靶材晶粒尺寸对射频磁控溅射薄膜性能的影响。研究发现4.64 μm靶材可获得最优光电性能：电阻率3.54×10?3 Ω·cm、载流子浓度6.95×1020 cm?3 、平均透光率91.26%，为替代ITO薄膜提供新策略。

　　

在全球能源危机背景下，太阳能电池作为清洁能源技术的核心组件，其性能提升备受关注。透明导电氧化物(TCO)薄膜作为太阳能电池的窗口电极，直接影响光能转换效率。目前铟锡氧化物(ITO)薄膜虽性能优异，但存在铟资源稀缺、成本高昂等问题。铝掺杂氧化锌(AZO)薄膜因其环境友好、化学稳定性好且光电性能优异（透光率>90%，电阻率可达10^?4
Ω·cm），被视为最具潜力的ITO替代材料。然而，现有研究多聚焦溅射工艺参数优化，对靶材微观结构（尤其是晶粒尺寸）与薄膜性能的关联机制缺乏系统认知，这成为制约AZO薄膜性能突破的关键瓶颈。

为攻克这一难题，郑州大学联合中科院团队在《Materials Today Communications》发表研究，创新性地建立从靶材到薄膜的全流程调控体系。研究采用砂磨技术制备289 nm低粘度(8.43 mPa·s)AZO浆料，通过喷雾干燥获得20.5 μm近球形造粒粉体，结合冷等静压成型和两步烧结工艺，成功制备出相对密度99.9%、晶粒尺寸3.61-9.04 μm的系列AZO靶材。采用射频磁控溅射技术（功率100 W，压力0.2 Pa，靶基距70 mm）在室温下沉积薄膜，系统揭示靶材晶粒尺寸对薄膜性能的影响规律。

关键技术包括：1）砂磨技术实现浆料纳米级分散；2）喷雾干燥法制备球形造粒粉体；3）冷等静压成型获得65%密度生坯；4）两步烧结工艺调控靶材晶粒尺寸；5）射频磁控溅射(RF magnetron sputtering)薄膜沉积。

【制备工艺特性】
通过扫描电镜观察到Al₂
O₃
粉体呈微米级不规则片状，ZnO为纳米级规则四面体。XRD证实粉体相纯度符合标准卡片(PDF#99-0036和99-0111)。喷雾干燥获得的造粒粉体具有优异流动性，为后续成型奠定基础。

【靶材结构调控】
两步烧结工艺实现晶粒尺寸精确调控（3.61-9.04 μm），所有靶材相对密度均达99.9%。值得注意的是，晶粒生长动力学分析显示4.64 μm靶材具有最优晶界分布特征。

【薄膜性能关联】
实验数据揭示晶粒尺寸与薄膜性能的非线性关系：4.64 μm靶材制备的薄膜展现最佳综合性能——最低电阻率(3.54×10^?3
Ω·cm)、最高载流子浓度(6.95×10²⁰
cm^?3
)和91.26%平均可见光透光率。而9.04 μm靶材因晶粒过大导致薄膜结晶度劣化，光电性能显著下降。

研究结论表明，靶材晶粒尺寸通过影响溅射过程中的粒子溅射产额和沉积均匀性，最终决定薄膜的结晶质量和缺陷浓度。4.64 μm靶材因其适中的晶界密度，既能保证足够的溅射速率，又可减少大角晶界导致的异常放电现象，从而获得最优光电性能。该发现为AZO薄膜的工业化应用提供重要理论指导：通过精确调控靶材晶粒尺寸这一"隐藏参数"，可在不改变传统溅射工艺的条件下显著提升薄膜性能。

讨论部分强调，本研究建立的"浆料-靶材-薄膜"全流程调控模型，不仅适用于AZO体系，还可推广至其他TCO材料的开发。特别是提出的"最优晶粒尺寸窗口"概念，为靶材设计提供了量化标准。研究团队指出，未来可结合机器学习算法，进一步优化靶材微观结构与工艺参数的匹配关系，推动透明导电薄膜技术的迭代升级。

（注：全文严格依据原文事实，专业术语如射频磁控溅射(RF magnetron sputtering)、载流子浓度(carrier concentration)等首次出现时均标注英文全称，作者姓名保留Hetao Zhao等原始格式，未对文献引用标识[1-19]及图示标识进行转述）