气体流量对磁控溅射制备ZnO薄膜沉积速率以及阻隔能力的影响

王超楠 杨林 鲁听 黄保进 江志明

摘 要：采用射频磁控溅射技术，以氧化锌（ZnO）为靶材，在PET塑料表面沉积制备了氧化锌薄膜包装材料，研究了氩气（Ar）流量对所制备的ZnO薄膜结构、形貌、沉积速率、透氧率以及透湿率的影响。实验结果表明，当氩气流量为40 sccm时，ZnO薄膜表面均匀且致密，其氧气透过率可以达到1.14 cc/（m2.d），水蒸汽透过率为0.43 g/（m2.d）。

关键词：射频磁控溅射技术；氧化锌薄膜；氩气流量；透过性

Abstract：ZnO films were prepared by RF magnetron sputtering on PET substrates with ZnO target. The influence of the argon gas （Ar） flow on the structure，morphology， deposition rate and the barrier properties was studied. The results demonstrated that the best Ar flow rate was 40 sccm， the deposited ZnO films were denser and smoother， the OTR of the film was 1.14 cc/（m2.d）， WVTR was 0.43 g/（m2.d）.

Key words：RF magnetron sputtering；Zinc oxide film；Argon flow；Transparency.

高阻隔性包装材料在食品、药品以及太阳能组件等方面应用广泛[1]。射频磁控溅射技术以市场广泛存在的塑料为基材，具备沉积速率快、衬底温度低、溅射尺寸可控等优点，对靶材无导电的要求，是具备广阔的应用前景的一种高阻隔膜制备方法[2]。

目前，有关ZnO薄膜的研究集中于其光电性以及湿润性等方面 [3]，而有关其阻隔性能的研究较少。本文采用射频磁控溅射技术（RF），以ZnO靶材，研究了氩气（Ar）流量对所制备的ZnO薄膜结构、形貌、沉积速率、透氧率以及透湿率的影响，验证了其用于高阻隔薄膜的可行性。

1 实验

（1）实验与仪器。

材料与仪器：基材PET薄膜， 厚度为12μm； Ar纯度99. 99%；磁控溅射镀膜机为JRJ-400卷绕式，靶材为99.99%的ZnO靶，尺寸为74.7 mm×4 mm，靶基距为80 mm。XRD为荷兰帕纳科锐影X射线衍射仪，电压为40 kV，电流为30 mA。SEM为蔡司公司IGMA+X-Max 20型扫描电子显微镜，X射线能谱仪为英国牛津（INCA-350）型。W3/330水蒸气透过率测试系统（Labthink/兰光），透氧仪为OX-TRAN Model 2/21。

（2）氧化锌薄膜的制备。

PET基材经过超声清洗、预溅射清洗后进行镀膜溅射。溅射功率为100 W，沉积时间为20 min，工作压力为0.4 Pa。

2 结果和分析

所制ZnO/PET薄膜淡黄色、透明，外观均匀。

（1）氩气流量对薄膜沉积速率以及阻隔能力的影响。

薄膜沉积速率（a）以及其对水、氧阻隔能力（b）随氩气流量的变化关系见图1。如图1（a）所示，随着氩气流量的增加，沉积速率先线性增大而后降低。主要原因是Ar流量过低时，溅射靶材的离子不足，Ar流量过高时，溅射腔中气体粒子过高，与溅射生成的ZnO粒子发生强烈碰撞甚至联级碰撞，降低了沉积在基材上ZnO的数量。如图1（b）所示，薄膜的水、氧透过性随氩气流量的增大，先快速降低，当氩气流量超过30 sccm时，薄膜的透氧性呈增大趋势，当氩气流量超过40 sccm时，透湿性稳定中有增大趋势。考虑到沉积速率，最佳氩气流量为40 sccm。

（2）氩气流量对薄膜结构与形貌的影响。

由图2中SEM图可知，氩气流量为10 sccm时，薄膜表面圆形、椭圆形、弯月形等片状分布，形状、尺寸不均一，随着氩气流量增加至30 sccm时，形状像柳叶形转化，均匀性提高。当氩气流量为40 sccm时，氧化锌颗粒成柳叶状，尺寸均匀，薄膜更加致密，所制备的ZnO薄膜是其六方晶系结构（图2e），O元素和Zn元素分布均匀（图2f）。当氩气流量增加至60 sccm时，氧化锌呈多边形与纳米球形，均匀性、致密性降低。这说明Ar流量过高时，溅射生成的ZnO与气体粒子发生的剧烈碰撞以及增强的散射作用，影响其沉积分布与形貌。

3 结论

利用射频磁控溅射技术，制备了氧化锌（ZnO）透明复合阻隔薄膜，討论了氩气流量对薄膜的结构、形貌、沉积速率和阻隔能力的影响，明确了制备ZnO高阻隔薄膜的最佳氩气流量为40 sccm。

参考文献：

[1]Liu Z，Sun ZH， Ma XX， Lin J.RF magnetron sputtered SiOx coatings on papers. Advanced Materials Research.2011，174： 475-479.

[2]建清.Si Ox镀膜包装材料的开发及发展.塑料包装， 2002， 12（2）：20-23.

[3]程晓蕾，刘志，施焕儒，简建明，徐杨.室温下高速沉积 AZO 薄膜的研究.材料导报，2011，11（25）：83-90.