室温等离子体增强原子层沉积法制备ZnO薄膜的光催化性能研究及其应用

研究人员针对热敏感基底上高质量ZnO薄膜沉积难题，采用等离子体增强原子层沉积(PEALD)技术在室温下制备薄膜，系统研究了射频(RF)功率对薄膜结构及光催化性能的影响。发现200 W以上功率可形成纳米晶结构，光催化活性显著提升，为柔性光电器件开发提供了新思路。

　　

在环保与能源需求日益迫切的今天，光催化技术因其能利用太阳能降解污染物而备受关注。氧化锌(ZnO)作为典型的宽禁带半导体(E_g
=3.2-3.4 eV)，与二氧化钛(TiO₂
)并列为两大明星光催化材料。然而传统粉末状催化剂存在回收困难的问题，而将ZnO制成薄膜虽能解决该问题，却面临新的挑战——常规化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)技术需要300°C以上高温，无法应用于塑料、生物材料等热敏感基底。更棘手的是，低温沉积的ZnO薄膜往往结晶质量差、光催化效率低下，这成为制约其实际应用的瓶颈。

针对这一难题，克罗地亚与斯洛文尼亚联合研究团队创新性地采用等离子体增强原子层沉积(PEALD)技术，在室温条件下制备ZnO薄膜，并系统探究了射频(RF)功率对薄膜性能的影响。研究发现，当RF功率达到200 W时，薄膜中开始出现纳米晶结构，光催化活性实现质的飞跃。这项发表于《Vacuum》的研究，为柔性光电器件的开发开辟了新路径。

关键技术方法
研究使用Beneq TFS 200型PEALD设备，以二乙基锌(DEZ)为前驱体，氧气等离子体为氧化剂，在室温下沉积ZnO薄膜。通过调节13.56 MHz射频功率(100-300 W)控制结晶过程，采用掠入射X射线衍射(GIXRD)分析晶体结构，紫外-可见光谱测定光学性能，并通过亚甲基蓝降解实验评价光催化活性。

研究结果

PEALD合成
实验采用远程等离子体配置，在衬底与喷头间设置半透明栅格，有效降低离子轰击损伤。通过优化脉冲序列（DEZ- purge -O₂
plasma- purge），实现了室温下的可控生长。

结构与形貌分析
GIXRD图谱显示：100 W功率下制备的薄膜呈非晶态，仅在33°附近出现宽峰；当功率升至200 W时，出现明显的纤锌矿结构衍射峰，表明纳米晶形成。随着功率继续增加，结晶度进一步提高，晶粒尺寸增大。

光学性能
紫外-可见吸收光谱表明：非晶薄膜的吸收边较宽且红移，而结晶薄膜显示出陡峭的吸收边，对应3.3 eV的直接带隙。光致发光光谱中，380 nm处的近带边发射强度随结晶度提高显著增强。

光催化性能
亚甲基蓝降解实验显示：非晶薄膜的光催化效率仅为纳米晶薄膜的1/10。200 W功率制备的样品在3小时内降解率达90%，其活性可与高温制备的薄膜媲美。

结论与意义
该研究证实PEALD的RF功率是调控ZnO薄膜性能的关键参数：低于200 W时获得非晶薄膜，光催化活性低下；200 W以上可形成纳米晶结构，实现高效光催化。这一发现具有三重意义：

1. 技术突破：首次实现室温制备高性能ZnO光催化薄膜，突破了热敏感基底的应用限制；
2. 机制创新：揭示了等离子体功率通过影响结晶度调控光催化活性的规律；
3. 应用前景：为开发柔性自清洁涂层、可穿戴光催化器件提供了切实可行的解决方案。

研究团队特别指出，这种室温沉积工艺与聚合物基底完美兼容，未来可应用于医用导管、环保包装等特殊场景。该成果不仅推动了PEALD技术的发展，更为绿色制造提供了新范式。