引言
透明超声换能器（TUTs）通过将光源和超声换能器同心放置，并使用透明材料代替传统超声换能器中的层，实现了对超声波和光波的单一设备处理[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]。它们展示了多模成像能力，包括超声、光声、光学相干断层扫描和荧光成像[3], [8], [9]。这些多模成像技术可以相互补充，显著提高医疗诊断和治疗的准确性。TUTs通常使用压电材料制造，如锂铌酸盐（LN）、聚偏二氟乙烯（PVDF）和铅镁铌酸盐–铅钛酸盐（PMN–PT）[3], [10], [11], [12]。特别是基于高介电常数材料（如PMN–PT）的TUTs显示出比基于LN的材料更高的灵敏度和分辨率[11], [13]。此外，高介电常数还使得换能器可以更小，因为可以允许更小的孔径尺寸以实现电抗匹配[14], [15]。因此，当PMN–PT用于高频透明超声成像时，换能器的孔径必须非常小，电极设计对于实现这种小型化、高频率的TUT至关重要。然而，这也阻碍了电磁波通过电极表面的有效传播[16]。因此，高介电常数的TUTs需要具有优异电性能的电极来增强电磁波的传播速度。
氧化铟锡（ITO）作为一种电极材料受到了关注。由于其高导电性和光学透明度，ITO被广泛用作透明导电电极。与其他透明电极（如石墨烯[17]、碳纳米管[18]和银纳米线[19]相比，ITO具有优异的电光性能，并且易于定制[20], [21]。ITO电极在可见光和紫外光区域内具有高透明度，在室温下具有低片电阻，适用于液晶显示器（LCDs）[22]、触摸屏[23]、太阳能电池[24]和TUTs[1]。ITO的电光性能取决于其形态特性，如厚度[26]、结晶度[27]、晶体取向[28], [29]和氧空位浓度[30], [31]，这些特性受到沉积方法的影响。已经开发了多种ITO沉积方法来实现所需的性能，包括离子束沉积[32]、电子束沉积[33]、溶胶-凝胶[34]、化学气相沉积（CVD）[35]、直流（DC）[36]和射频（RF）磁控溅射[37]。虽然DC溅射可能会出现靶材电弧和绝缘或压电基底上的电荷积累问题，但RF磁控溅射具有高沉积速率、可扩展性、均匀性和无这些问题。此外，相对容易控制ITO的微结构，可以通过工艺参数进行调整[29], [38]。
传统的RF磁控溅射ITO方法通常需要高温（>300°C）来形成ITO晶体[39], [40]。然而，将ITO沉积在对温度敏感的材料上会降低设备性能，例如含有热塑性材料的柔性显示器[41], [42]、使用敏感有机材料的OLEDs[43]以及利用复杂电子电路的传感器[44]。因此，PMN–PT的低居里温度（大约120°C）阻止了使用传统的ITO沉积方法[45]。此外，TUTs中使用的聚合物层的玻璃化转变温度不适合高温工艺[46]。由于每层抛光过程，TUTs中的声学堆栈容易分层[47]。热膨胀进一步增加了分层的风险，这突显了需要低温制造工艺的必要性。尽管已经开发了几种低温ITO沉积方法，但现有研究通常涉及的温度仍高于50°C[27], [42], [44], [48], [49], [50]。这些方法不适合TUTs，因为温度不足以解决上述与温度相关的问题。
已经开发了多种使用RF磁控溅射在较低温度下沉积ITO的方法。通过调整溅射功率和薄膜厚度来获得所需的电光性能[41], [51], [52]。然而，这些方法存在局限性，例如由于靶材尺寸的限制导致溅射功率受限，以及随着薄膜厚度增加而降低的透明度[41], [52]。尽管加入少量氧气的反应溅射改善了ITO薄膜的质量[53], [54], [55]，但它引入了杂质并影响了重现性[36]。在室温下沉积ITO显示出潜力，可以在较低的沉积压力下提供足够的能量促进晶体生长[56], [57], [58]。控制沉积压力是一个实际参数，受到设备限制较少，因为它可以减少粒子碰撞并在沉积过程中提高粒子能量[59], [60]。尽管之前已经研究了压力对ITO薄膜性能的影响，但没有统一的结果[61], [62]。因此，需要深入理解压力对薄膜微结构的影响，包括晶体生长和取向。基板类型和沉积方法对ITO性能的影响，特别是对于TUTs和压电材料，也尚未得到探索[41], [50], [58]。
在这里，我们提出在室温下使用压力调节的RF磁控溅射来沉积高介电常数的TUT电极ITO。我们研究了沉积压力对ITO薄膜形成及其电光性能的影响。优化的压力使得薄膜的片电阻大约是传统室温沉积ITO的三倍低[50], [54], [63]。在相同条件下，ITO在PMN–PT基底上的微结构和电性能保持不变。我们的方法使得基于PMN–PT的TUT的相速度和电压提高了两倍，这得益于ITO片电阻提高了三倍，从而实现了高带宽、高灵敏度的TUT。对具有不同电极片电阻的两种TUT的比较分析证实了本研究中所示的室温沉积ITO电极所实现的双倍性能。
