在科技创新驱动产业变革的时代，一种看似普通的材料——氧化锌，正通过真空镀膜技术，在光电领域扮演着越来越重要的角色。

在现代科技领域，氧化锌真空镀膜技术作为一项重要的材料制备工艺，正悄然改变着我们的生活。从手机屏幕到太阳能电池，从紫外线探测器到抗菌涂层，这项技术的应用无处不在。

作为肇庆市新润丰高新材料有限公司的技术营销部经理，我今天将带大家深入了解这项技术的原理、应用和未来前景。

 

一、氧化锌材料，为何备受青睐？

氧化锌（ZnO）是一种 宽禁带半导体材料 ，具有3.37eV的直接带隙和高达60meV的激子结合能。这些特性使其在光电领域表现出色。

氧化锌晶体为六方纤锌矿结构，具有优异的压电、介电及晶格特性。原料价格低廉，外延生长成本低，易于实现掺杂，因此广泛应用于诸多领域。

氧化锌薄膜具有 高透明度 （可见光透射率高达90%）和 良好的导电性 （电阻率低至10-4Ω·cm），是理想的透明导电膜材料。

特别是铝掺杂氧化锌（AZO）薄膜，具有更好的透明度和导电性，其透射率为91%，电阻率为10-5Ω·cm，已逐渐成为ITO（In2O3：Sn）薄膜的替代材料。

二、真空镀膜，如何实现材料蜕变？

真空镀膜技术是现代微电子制造的核心工艺之一。氧化锌薄膜的制备主要有物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）两大类方法。

磁控溅射技术

磁控溅射是目前研究最多、最成熟的一种氧化锌薄膜制备方法。溅射是利用 荷能粒子轰击靶材 ，使靶材原子或分子被溅射出来并沉积到衬底表面的工艺。

根据靶材在沉积过程中是否发生化学变化，可分为普通溅射和反应溅射。若靶材是Zn，沉积过程中Zn与环境气氛中的氧气发生反应生成氧化锌则是反应溅射。

脉冲激光沉积（PLD）技术

PLD法是20世纪80年代后发展起来的一种 真空物理沉积方法 。在超高真空系统中将高能激光脉冲汇聚在靶表面，使靶材料瞬时熔融气化，并沉积到衬底上形成薄膜。

研究表明，使用PLD法制备ZnO薄膜的最佳温度为300℃。在这个温度下制备的薄膜具有高度c轴取向，电阻率最低。

分子束外延（MBE）技术

MBE是一种可达 原子级控制的薄膜生长方法 。它用于生长高质量的氧化锌薄膜，可采用微波电子回旋共振分子束外延（ECR-MBE），也可采用激光分子束外延法（L-MBE）。

三、工艺参数，如何影响薄膜质量？

氧化锌薄膜的质量很大程度上取决于制备过程中的各种参数控制。

氧分压的影响

研究表明，氧分压对氧化锌薄膜的性能有显著影响。随着氧分压从0.01增大到0.2Pa，（002）面衍射峰位向低角度方向偏移。

在氧压为0.2Pa时，薄膜具有优良的c轴取向、晶粒较大，薄膜沉积质量很好。随着氧压的增加，薄膜的c轴取向性变差，晶粒尺寸变小。

衬底温度的影响

衬底温度是影响薄膜质量的另一个关键因素。实验表明衬底温度高于100°C时，ZnO薄膜具有c轴择优取向。

随着衬底温度从100°C上升到300°C，薄膜的（002）面衍射峰位置从33.9°增加到34.4°，半高宽FWHM从0.410°减小到0.202°。

创新的制备方法

东华大学研究团队开发了一种全新的 逐层沉积工艺 制备的透明导电薄膜材料。基于溶胶—凝胶技术，通过多次逐层沉积工艺，制备多层薄膜。

这种方法提高了氧化锌薄膜中的氧空位的浓度，大幅提高紫外光掺杂的效率，成功将紫外光掺杂后的氧化锌的导电率提高到了500西门子/厘米。

四、应用领域，薄膜技术改变生活

氧化锌薄膜由于其优异性能，已经在多个领域得到广泛应用。

太阳能电池

氧化锌薄膜在太阳能电池中主要作为 透明电极和窗口材料 ，具有优异的光电性能。在适当的掺杂下，表现出很好的低阻特征。

利用P-MOCVD技术制得ZnO：B薄膜，电阻率为5×10-4Ω·cm，用于α-Si太阳能电池，在100mW/cm2的光照处，其效率为8.7%。

光电器件

氧化锌有着很好的光泵浦受激辐射特性，p型氧化锌的制得使其在紫外光电器件方面有广泛应用。

氧化锌还可用于制造各种光电器件，如LED和激光二极管。在这些应用中，氧化锌薄膜的光学性质和电导率至关重要。

压电应用

通过高密度、定向生长的氧化锌薄膜是一种具有 良好压电性质的材料 ，能够用来制造高频纤维声光器件及声光调制器等压电转换器材。

作为一种压电材料，氧化锌还可在大容量、高速率光纤通信的光纤相位调制、反雷达动态测频、电子侦听等领域得到广泛应用。

抗菌应用

最新研究发现，氧化锌复合薄膜具有优异的抗菌性能。研究表明，ZnO/V2O5复合薄膜，特别是层状结构，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有完全抑制作用。

五、未来展望，技术发展前景可期

随着技术的不断进步，氧化锌真空镀膜技术还将有更大的发展空间。

提高导电率

进一步提高氧化锌的导电率是未来的研究方向。目前，逐层沉积工艺制备的紫外光掺杂氧化锌薄膜的导电率，可以满足构建实验室尺度的有机光伏器件。

要实现有机光伏器件大规模工业化，其透明电极薄膜的导电率当然是越高越好。

柔性电子应用

随着柔性电子技术的发展， 氧化锌薄膜的低温制备工艺 成为研究重点。未来，通过使用狭缝挤压涂布法等工业化兼容的薄膜沉积法，制备具有更大面积的氧化锌薄膜将成为可能。

新的应用领域

氧化锌薄膜技术还将开辟全新的应用领域。例如，有机光伏器件可以在弱光环境下，通过吸收环境光、室内光，对室内的电子元件进行持续供电。

这可以解决电子元件依赖外部电源这一严重制约物联网技术发展的问题，促进物联网技术的快速发展。

 

唐正课题组的研究给了我们更多启示：通过逐层沉积工艺和紫外光掺杂技术，氧化锌薄膜的导电率可提高到 500西门子/厘米 ，比传统方法提高了2-5倍。

更令人惊喜的是，这种新型薄膜还具有紫外屏蔽作用，相当于给器件擦了“防晒霜”，使其比基于ITO的器件具有更优异的使用寿命。

随着技术的不断突破，氧化锌真空镀膜技术有望在更多领域替代传统材料，为电子产业带来新的变革动力。我们新润丰高新材料有限公司也将持续关注这一领域的发展，为客户提供更优质的氧化锌产品和技术解决方案。