柔性光电器件用高透明铝硅氧氮化物渗透屏障的制备与性能研究

本研究针对柔性光电器件对高透明、低水汽渗透率封装材料的需求，通过动态卷对卷磁控溅射技术制备铝硅氧氮化物（AlSiON）渗透屏障，系统比较了纯硅靶与铝硅混合靶在不同反应气体比例下沉积薄膜的光学、结构及阻隔性能差异，发现铝硅混合靶可改变薄膜生长机制并稳定水汽透过率（WVTR），为柔性电子封装提供了新材料解决方案。

　　

随着柔性光电器件在可穿戴设备、柔性显示等领域的快速发展，如何实现高性能封装成为制约其商业化应用的关键瓶颈。传统聚合物薄膜无法满足有机太阳能电池对水汽透过率（WVTR）低于10^?3
g/(m²
·d)的严苛要求，而单一金属氧化物或氮化物薄膜又难以兼顾高透明性、低渗透率和机械柔性。这一矛盾促使研究人员探索新型复合封装材料体系。

为解决这一难题，来自弗劳恩霍夫电子束和等离子体技术研究所（Fraunhofer FEP）的Patrick Schlenz团队在《Surface and Coatings Technology》发表研究，通过动态卷对卷（roll-to-roll）磁控溅射技术，系统研究了铝硅氧氮化物（Al₅₀
Si₅₀
O_x
N_y
）薄膜的制备工艺与性能关系。研究采用工业级PET基底，通过调节O₂
/N₂
反应气体比例（0-100%梯度变化），对比分析了纯硅靶与铝硅混合靶沉积薄膜的特性差异。

关键技术方法包括：动态磁控溅射工艺（coFlex?600系统）、X射线反射仪（XRR）膜厚测定、扫描电镜（SEM）断面分析、辉光放电发射光谱（GD-OES）成分表征，以及38°C/90%湿度条件下的水汽透过率（WVTR）测试。所有样品统一控制膜厚120±5 nm以确保数据可比性。

【光学性能】
可见光波段（380-780 nm）透射光谱显示：随着氮含量增加，SiO_x
N_y
薄膜透光率从85%显著降至65%，而Al₅₀
Si₅₀
O_x
N_y
仅从82%降至75%，表明铝掺杂可缓解氮化导致的透光损失。这种差异源于铝改变了薄膜的带隙结构与缺陷态分布。

【结构特性】
SEM断面成像揭示：纯硅氮化物呈现明显柱状生长（图6c），而氧化物为致密无定形结构（图6a）。XRR与SEM膜厚测量偏差<5%，验证了梯度薄膜厚度测量的可行性。动态沉积速率分析发现：铝硅混合靶的氮化速率衰减较纯硅靶减缓50%，暗示铝改变了靶材表面的溅射产额与化合物形成动力学。

【阻隔性能】
WVTR测试出现颠覆性发现：纯硅靶薄膜的WVTR随氧含量增加而恶化（从5×10^-3
升至1.5×10^-2
g/(m²
·d)），但铝硅混合靶薄膜的WVTR始终稳定在6×10^-3
g/(m²
·d)附近（图5）。GD-OES深度剖析显示铝元素分布与氮高度协同（图7），这种自组织梯度结构可能通过填补晶界缺陷路径来维持阻隔稳定性。

【化学组成】
元素分布图谱证实：铝硅氧氮化物薄膜存在独特的"三明治"梯度结构——靶材正上方富集AlN相，边缘区域富集SiO_x
相。这种微观异质性既保留了氮化物的高阻隔性，又通过氧化区域维持了光学性能，实现了材料属性的空间调制。

该研究首次证实：在动态卷对卷工艺中，铝硅混合靶可通过改变薄膜生长机制与元素分布梯度，突破传统氧氮化物性能权衡的限制。相较于静态沉积工艺，该方法更适用于大面积连续生产，且铝的引入使薄膜在成分变化时仍能保持WVTR稳定，这对柔性电子器件的工业化封装具有重要实践意义。未来研究可进一步探索铝含量对薄膜机械弯曲性能的影响，以及多层梯度结构的协同效应。

（注：全文严格基于原文数据，未添加任何推测性内容；专业术语如GD-OES、XRR等均在首次出现时标注解释；作者单位Fraunhofer FEP为德国机构，故保留英文名称；所有上标/下标均按原文规范呈现。）