通过溶胶-凝胶法制备的AZO薄膜中，Ag和Cu掺杂对其抗菌性能和光学特性的影响研究

《Journal of the Indian Chemical Society》：Investigation of Antibacterial and Optical Effects of Ag and Cu Doping on AZO Thin Films Synthesized by Sol-Gel Method

铝掺杂氧化锌薄膜通过溶胶-凝胶法合成并应用于玻璃和硅基底，经500℃热处理后表征其结构、光学和抗菌性能。XRD显示wurtzite结构稳定，SEM/EDS证实Ag/Cu掺杂及局部富集，UV-Vis分析显示带隙3.54-3.62 eV，Ag掺杂薄膜对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌抑制圈达2.5cm以上，证实其抗菌潜力与透明性兼容。

　　

Bekirhan K?rm?z?|Dilara ?enol|Elif Aksoy|G?rkem Yumu?ak

土耳其伊斯坦布尔马尔马拉大学冶金与材料工程系

摘要

铝掺杂氧化锌（AZO）涂层在光电和防护涂层应用中作为透明氧化物层被广泛使用。本研究采用溶胶-凝胶法制备了含有2%和10%（相对于前驱体溶液中Zn+Al阳离子总量的比例）银（Ag）和铜（Cu）的AZO薄膜，并通过旋涂法将其涂覆在玻璃和硅基底上，随后在500°C下进行热处理。对这些薄膜的结构、光学和抗菌性能进行了表征。

X射线衍射结果显示，薄膜保持了纤锌矿结构的完整性，未检测到其他次要结晶相；(002)峰参数仅显示出微小的掺杂依赖性变化。扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱仪（EDS）证实了银和铜的掺入，并在高银含量区域发现了局部富银区域，这与银的聚集现象一致。针对枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）和大肠杆菌（Escherichia coli）的圆盘扩散实验表明，未掺杂的AZO和掺铜AZO薄膜的抑制作用较弱或可忽略不计（抑制圈直径≤2.24厘米；圆盘直径2.00厘米）。相比之下，含有10%银的AZO薄膜对枯草芽孢杆菌的抑制圈直径为2.53 ± 0.04厘米，对大肠杆菌的抑制圈直径为2.46 ± 0.02厘米，显示出显著的抗菌效果。

利用轮廓仪测量的薄膜厚度将UV-Vis光谱转换为吸收系数，直接Tauc分析得出的表观光学带隙为3.54–3.62电子伏特。由于未量化电学性质和光学损耗（如反射/散射），这些值仅用于相对比较吸收边位置，而非验证Burstein–Moss机制。光致发光实验显示了近带边的紫外发射和宽的可见光缺陷相关带，这支持了缺陷态可能对抗菌行为有贡献的观点。总体而言，掺银AZO薄膜在保持透明度的同时增强了抗菌性能，显示出作为透明抗菌涂层的潜力。

部分内容摘录

引言

多功能氧化物薄膜因其同时具备光学透明性和可调的物理化学性质而受到广泛关注[1]。这些特性使它们在太阳能电池、传感器和平板显示器等领域具有应用价值。氧化铟、氧化锡和氧化镉是传统的透明导电氧化物（TCO）材料[2]。然而，某些元素的毒性和局限性促使研究人员转向氧化锌（ZnO）等替代材料，因为ZnO是无毒的。

材料与方法

AZO前驱体溶液是通过将乙酸锌二水合物（Zn(CH?COO)?·2H?O）和硝酸铝九水合物（Al(NO?)?·9H?O）按Zn:Al摩尔比5:1溶解在乙醇中制备的。这相当于名义上的Al/(Zn+Al)阳离子比例为0.17（以下简称高铝掺杂AZO）。选择这种相对较高的名义铝浓度是为了弥补溶胶-凝胶过程中的潜在掺杂损失，并确保足够的铝掺入。

XRD测量

图1展示了未掺杂AZO以及掺有2%和10%银（Ag）和铜（Cu）的AZO薄膜的X射线衍射图谱。所有薄膜均表现出典型的纤锌矿型ZnO结构的衍射峰。在测量检测范围内，未观察到与金属银、金属铜或其他氧化物相关的额外结晶相，表明掺杂后AZO结构得以保留。

结论

本研究通过溶胶-凝胶旋涂法成功制备了铝掺杂氧化锌（AZO）薄膜，并对其进行了不同浓度银（Ag）和铜（Cu）掺杂的改性。利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、UV-Vis光谱和抑制圈方法系统分析了掺杂剂对薄膜的结构、光学和抗菌性能的影响。

XRD结果证实所有薄膜均保持了纤锌矿结构的AZO特性。

作者贡献声明

G?rkem Yumu?ak：撰写 – 审稿与编辑，撰写初稿，监督，方法论设计，数据管理，概念构建。Dilara ?enol：撰写初稿，方法论设计，数据管理，概念构建。Elif Aksoy：撰写初稿，方法论设计，数据管理，概念构建。Bekirhan K?rm?z?：撰写初稿，方法论设计，数据管理，概念构建。

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