透明導電氧化物(TCO)，作為一類獨特的半導體光電材料，因其卓越的導電性和透明性在光電器件、觸摸屏和太陽能電池等多個高科技領域被廣泛應用。其中，氧化銦錫、氧化銦和其他氧化物混合的薄膜是透明導電氧化物薄膜的主要研究對象，已經商業化30多年了，廣泛運用在傳感器、平面顯示等領域[3-4]。但是這類材料的稀有性、制備過程中的環境危害性等問題，日益成為制約其進一步發展的瓶頸，亟需一種更加優異的材料來代替5。氧化鋅薄膜由于其無毒無害、高透明性、廉價和穩定性好等特點正逐步成為新的研究熱點6-7。氧化鋅的結構決定了它能夠比較容易地與其他元素進行摻雜，從而實現對材料性能的精準調控。尤其是摻雜Al的氧化鋅(AZO)被看作是能代替氧化銦錫的材料，其性能與氧化銦錫極其相似，還具有氧化銦錫所不具備的儲量大、成本低、無毒害及在氫氣中穩定性好等優點[8]。氧化鋅薄膜作為一種新型材料，具有極高的發展潛力與應用前景，目前已經在儀器儀表、計算機、軍事通訊、航空航天等多種領域開始應用9-10]。隨著研究工作的不斷深入，高質量、高性能氧化鋅薄膜的制備及其摻雜改性技術，已成為當前材料科學研究領域的熱點與難點問題。

制備AZO薄膜的方法主要包括磁控濺射法[11-12]、激光脈沖沉積法[13-14]、分子束外延法[15-16]，溶膠-凝膠法17和金屬化學氣相沉積法18等。在眾多方法中，磁控濺射法由于具有膜層與基材的結合力強、膜層致密、均勻等優點，并且可以實現高速、低溫、低損傷的濺射過程而被廣泛應用在各種薄膜的制備與生產中。在磁控濺射過程中，濺射功率、濺射氣壓、基底溫度和靶基距等多種因素均會對薄膜的性能產生影響[19-20]。本研究采用單一變量控制法，通過改變濺射過程中的濺射功率、濺射氣壓和襯底溫度，研究不同工藝參數對AZO薄膜透光性與導電性的影響規律。

1、試樣制備及檢測方法

1.1 AZO薄膜制備

通過雙靶磁控濺射技術制備摻鋁氧化鋅薄膜，實驗設備為鵬程真空技術有限公司研發的真空磁控濺射鍍膜設備。靶材為德陽奧納新材料有限公司生產的純度為99.99%、規格為D60mmx(3+2)mm的氧化鋅靶材(靶材厚度為3mm，為保證靶材散熱綁定的銅背板厚度為2mm)且純度為99.99%、規格為D60mmx2mm的鋁靶材。襯底為20mm×20mm耐高溫玻璃，可承受800℃的高溫，氣體為純度99.99%的氬氣。

實驗開展之前對襯底進行清洗，首先使襯底浸沒在丙酮溶液中超聲清洗10min，再用純凈水沖凈;然后將其浸沒到無水乙醇溶液中超聲清洗10min，再用純凈水沖凈;最后用純凈水超聲清洗10min，用高純氮氣吹干。實驗過程中本底真空為8x10-4Pa，在濺射制備薄膜之前對靶材預濺射5min去除靶材表面雜質，保證薄膜制備的高質量。

本次實驗設計三組不同條件下的濺射工藝參數。第一組改變濺射功率，分別為30W、35W、40W、45W和50W，濺射氣壓為0.8Pa，襯底溫度為室溫。第二組改變濺射氣壓，分別為0.6Pa、0.7Pa、0.8Pa、0.9Pa和1.0Pa，通過對濺射功率實驗的分析，選擇光電性能較優的40W為不同氣壓的濺射功率，襯底溫度為室溫。第三組改變襯底溫度，分別為100℃、150℃、200℃、250℃和300℃，分析上述兩個實驗的結果分別選取濺射功率為40W、濺射氣壓為0.8Pa。濺射氣體為純Ar，氣體流量為30 sccm，濺射時間為5min，襯底的旋轉速度為8r/min。

1.2薄膜物相表征方式

采用了紫外-可見分光光度計和四探針測試儀，對薄膜樣品在可見光波范圍的透過率及薄膜電阻率進行測定和表征。

2、實驗結果與分析

2.1濺射功率對AZO薄膜透光度和電阻率的影響

改變Al靶材濺射功率實際上是改變氧化鋅中摻雜鋁的含量。圖1是AZO薄膜在不同濺射功率下的透光度曲線，可以看出，在可見光(波長380~780nm)范圍內的透光度要明顯高于紫外光(波長4~380nm)波段。這是因為在近紫外光波段，光子具有較大的能量，足以激發電子從價帶頂端跳躍到導帶底端而發生本征吸收，而在可見光范圍內的光子能量不足以激發本征吸收而使得光線被透過。

如圖2所示，當濺射功率范圍為30~50W時，隨著濺射功率的增大，AZO薄膜的透光度逐漸下降，在30W的濺射功率條件下，薄膜的透光度最好，達到75%以上。這一現象可歸因于以下幾個因素:濺射功率較低時，濺射出來的粒子能量較低，在玻璃襯底上生成的晶粒較小，所制備的薄膜致密性與粗糙度較好，透光性較好;由于鋁離子的半徑大于鋅離子，當鋁離子摻雜進入氧化鋅中時會增大晶格填充率，導致透光度下降;此外，伴隨濺射功率的增大，濺射出的Al也逐漸增加，進而導致了薄膜的透光率逐漸下降;同時，Al靶材濺射功率增加會使得薄膜厚度增加，這也會進一步使透光度下降。

圖3是AZO薄膜在不同濺射功率下電阻率的變化曲線，可以看出，AZO薄膜的電阻率隨鋁靶材濺射功率增大呈現逐漸變小的趨勢。當濺射功率為30W時，AZO薄膜的電阻率最高，為62Ω·cm;當Al靶材的濺射功率達到50W時，通過優化工藝參數獲得的AZO薄膜電阻率達到最低水平，為44Ω·cm。當靶材濺射功率較低時，被Ar濺射出來的粒子能量較小，遷移率也較小，能夠到達玻璃基底的粒子數量和靶材與襯底之間的粒子濃度都比較低，且粒子尺寸偏小，結晶性能不穩定，進而導致薄膜的電阻率較高。

隨著鋁靶材濺射功率的提高，濺射粒子的能量與濃度均得到顯著提升，粒子的遷移率及載流子濃度也會隨之提高，從而實現薄膜電阻率的降低。

2.2濺射氣壓對AZO薄膜透光度和電阻率的影響

圖4為AZO薄膜在不同濺射氣壓下的透光度變化曲線?？梢钥闯?，在可見光波段，AZO薄膜的整體透光率隨濺射氣壓的升高呈現先增大后減小的趨勢。當濺射壓強較小時，濺射室中氬氣所具有的能量較小，轟擊出來的粒子能量同樣比較小，無法維持正常的輝光放電過程。當濺射壓強達到起輝放電的要求時，濺射出的粒子具有的能量達到鍍膜要求，能夠較好地沉積在襯底上，形成質量較好的薄膜，此時薄膜的透光率較高。當濺射氣壓持續升高時，濺射出來的粒子具有較大的能量，粒子在到達襯底之前會發生多次碰撞，離子間的散射作用加強，造成能量的損失，使成膜的質量變差，薄膜透光性有所下降。從圖5可以看出，在濺射氣壓為0.7Pa時AZO薄膜的平均透光度最好，可以達到90%，當氣壓為0.9Pa時平均透光度最差。

圖6是AZO薄膜在不同濺射氣壓下電阻率的變化曲線，可以看出在氣壓從0.6Pa增加至1.0Pa的過程中，AZO薄膜的電阻率呈現先增大后減小的趨勢。當濺射氣壓為0.7Pa時，AZO薄膜電阻率最高，為60Ω·cm;當濺射功率為1.0Pa時，AZO薄膜電阻率最低，為43Ω·cm。當濺射氣壓小于0.7Pa時，隨著濺射氣壓的增大，從靶材上濺射出來的粒子具有較大的動能，粒子在沉積到襯底的過程中碰撞的概率提高，造成薄膜的結晶性變差，粗糙度變大，進而使AZO薄膜的電阻率增大。當濺射氣壓大于0.7Pa時，Al³⁺和Zn²⁺的替換增加，產生了更多的自由電子，并且由于薄膜的厚度和致密性的增加，薄膜的電阻率降低。

2.3襯底溫度對AZO薄膜透光度和電阻率的影響

圖7是AZO薄膜在不同襯底溫度下的透光度曲線。圖8是AZO薄膜在不同襯底溫度下的平均透光度曲線。可以看出:隨著溫度的逐漸升高，AZO薄膜在可見光波段的透光度呈現波動變化趨勢，在250℃時平均透光度最好，可以達到87%。這是因為在襯底溫度較低時，粒子在樣品表面的遷移能力較弱，難以成核生長，導致薄膜晶粒尺寸較大，透光度較差。隨著襯底溫度的上升，濺射出來的粒子能夠獲得足夠大的熱能，使沉積在襯底上的薄膜致密性與粗糙度較好，薄膜的透光性提高。當襯底溫度繼續增加時，薄膜中的缺陷增多，導致薄膜的粗糙度升高，從而影響其透光度。

圖9為不同襯底溫度下AZO薄膜的電阻率曲線，可以看出，在襯底溫度為100℃時AZO薄膜電阻率最高，可以達到55Ω·cm。隨著襯底溫度的繼續增加，AZO薄膜的電阻率呈現出逐漸下降的趨勢，當襯底溫度達到300℃時ATO薄膜的電阻率最低，為35Ω·cm。AZO薄膜能夠導電的主要原因是薄膜中存在大量的自由電子，這些自由電子主要是氧空位與Al³⁺置換Zn²⁺所產生的。溫度的升高有利于Al對Zn²⁺的替代，提升了載流子濃度與遷移率，實現了AZO薄膜電阻率的進一步降低。

3、結論

采用雙靶磁控濺射技術在石英玻璃襯底上制備了AZO薄膜，研究了不同工藝參數(濺射功率、濺射氣壓和襯底溫度)對薄膜光學和電學特性的影響。實驗結果表明，隨著濺射功率的增加，薄膜的透光度和電阻率逐漸下降，在30W鋁靶濺射功率下透光性最好，在50W時達到最低電阻率，為44Ω.cm;隨著濺射氣壓的增大，薄膜透光度和電阻率先增加后降低，在0.7Pa濺射氣壓下AZO薄膜在可見光范圍內的透光性最好，達到90%以上，在1.0Pa濺射氣壓下電阻率最低，為43Ω.cm;隨著襯底溫度的升高，透光度波動變化，而電阻率逐漸降低。在250℃的襯底溫度下AZO薄膜的性能達到最佳，其在可見光范圍內的平均透光度為87%，電阻率為38Ω.cm。

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（注，原文標題：雙靶磁控濺射工藝參數對AZO薄膜性能的影響_張?。?/span>

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