嵌段共聚物模板选择性渗透法制备纳米多孔掺杂金属氧化物涂层：以铝掺杂氧化锌为例

为解决透明导电涂层(CTCs)在孔隙率和导电性调控上的难题，研究人员通过顺序渗透合成(SIS)技术，利用聚苯乙烯-嵌段-聚4-乙烯基吡啶(PS-b-P4VP)模板成功制备了纳米多孔铝掺杂氧化锌(AZO)薄膜。该材料孔隙率高达80%，电阻率低至7.83 Ωcm，且铝锌比1:17时导电性最优。这项研究为低成本、环保型透明电极的开发提供了新思路，在触控屏、太阳能电池等领域具有应用潜力。

　　

透明导电涂层是现代光电技术的核心材料，从智能手机触控屏到太阳能电池都离不开它。传统氧化铟锡(ITO)虽性能优异，但铟资源稀缺且价格高昂，科学家们一直在寻找替代方案。铝掺杂氧化锌(AZO)因原料丰富、成本低廉成为热门候选，但如何同时实现高孔隙率和高导电性仍是巨大挑战——孔隙能提升透光率和比表面积，却往往以牺牲导电性为代价。更棘手的是，现有制备方法如溶胶-凝胶法、溅射沉积等难以精确控制孔结构和掺杂浓度，导致性能不稳定。

美国国家科学基金会支持的研究团队在《Surface and Coatings Technology》发表创新成果，提出采用顺序渗透合成(SIS)结合嵌段共聚物(PS-b-P4VP)模板的策略。这种方法巧妙利用聚合物微相分离形成的纳米结构作为"模具"，通过二乙基锌(DEZ)和三甲基铝(TMA)气相前驱体的选择性渗透，成功制备出孔隙率可调(最高86%)、电阻率仅7.83 Ωcm的AZO薄膜。尤为关键的是，他们发现铝锌原子比约1:17时导电性最佳，过量铝反而会因AlO_x相分离导致性能下降。

研究采用石英晶体微天平(QCM)实时监测前驱体渗透过程，结合导电原子力显微镜(C-AFM)和霍尔效应测试分析电学性能。通过溶剂溶胀调控技术，使聚4-乙烯基吡啶(P4VP)域选择性膨胀，显著提升前驱体渗透深度。与传统原子层沉积(ALD)相比，SIS仅需5个循环即可获得100 nm厚均匀薄膜，耗时不足30分钟，效率提升数十倍。

【结果与讨论】

1. 模板表征：溶胀后的PS-b-P4VP薄膜通过小角X射线散射(SAXS)显示其纳米级相分离结构，乙醇溶胀使P4VP域体积膨胀300%，为后续前驱体渗透创造通道。
2. 导电性能：霍尔测试揭示铝掺杂存在最优浓度(1.45 at.%)，此时载流子浓度达10¹⁹ cm^-3。过量铝(>3 at.%)会导致电阻率骤增10倍，C-AFM证实这与Al³⁺偏析形成的绝缘AlO_x区域有关。
3. 光学性能：500 nm厚石英基底上沉积的AZO薄膜可见光透过率达82%，优于商用ITO(通常80%)，且孔隙率每增加10%，透光率提升约3%。

这项研究的意义在于：首先，建立了SIS工艺参数与AZO性能的定量关系，为定制化设计透明电极提供理论依据；其次，开发的溶胀辅助SIS技术可推广至其他掺杂氧化物体系；最后，材料成本仅为ITO的1/5，且制备过程无需真空设备，具有工业化潜力。正如通讯作者Diana Berman指出，该方法"打破了孔隙率与导电性的传统权衡关系"，为下一代柔性光电器件开发奠定基础。需要指出的是，高温环境下AZO的稳定性仍有待提升，未来可通过共掺杂或表面钝化进一步优化。