ZnO透明导电薄膜

ZnO透明导电薄膜（精选八篇）

ZnO透明导电薄膜 篇1

本实验通过改变不同退火温度,探究退火温度对ZnO/Cu/ZnO透明导电薄膜的影响,通过对薄膜的形貌、结构、光学和电学性能进行表征,确定薄膜性能与形貌、结构之间的关系,并获得使薄膜综合性能达到最优的实验条件。

1 实验

采用MS500B型超高真空多靶磁控溅射仪制备ZnO/Cu/ZnO薄膜。选用普通载玻片为基片,依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗10min,之后用纯氮气 (99.99%)吹干,置于超高真空MS500B磁控溅射仪的沉积室内。溅射的本底压强为5×10-4 Pa,工作压强为0.8Pa,溅射气体为高纯氩气(99.999%)。ZnO/ Cu/ZnO膜为上下对称结构,上下两层ZnO厚度均为50nm左右,Cu厚度为10nm。选用的靶材是ZnO靶 (纯度为99.99%)和Cu靶(纯度为99.99%),二者直径均为7.6cm。ZnO采用射频 溅射,射频功率 为30W,氩气流量为40sccm;Cu采用直流溅射,功率为80W,氩气流量 为50sccm。溅射前 对靶材均 进行10min的预溅射,以去除靶材表面的污染物。溅射过程中基片温度均为室温。溅射后,将样品转移到管式炉内,分别于150,300,450℃下真空退火1h。

薄膜的厚度用OPTREL multiscop型椭偏仪 测量,薄膜的结构用D/max-2006/PC型X射线衍射仪 (XRD)表征,薄膜的形貌用Multimode Nanoscope 3D原子力显微镜(AFM)和S-4800型场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)测试分析,薄膜的光学和电学性能分别用Lambda 950型紫外-可见分光光度计和Accent HL5500型霍尔测试仪测试分析。

2 结果与讨论

2.1 薄膜的结构与形貌

图1所示为不同退火温度下ZnO/Cu/ZnO薄膜的XRD图谱。图1中2θ=43.3°对应的是Cu(111) 晶相,未出现其 他Cu相。2θ=34.4°对应的是ZnO的(002)衍射峰,未出现ZnO其他晶相,表明ZnO为多晶纤锌矿结构且具有高度 的c轴择优取向。这是因为与其他晶 面如 (110),(100)相比,ZnO(002)晶面的表面能 最低,为9.9eV/nm2[14],因此ZnO通常具有c轴择优取向,这种现象也存在于Ag掺杂ZnO薄膜中[15]。经150,300,450℃退火后,ZnO(002)和Cu(111)衍射峰明显增强,半峰宽不断减小,(002)衍射峰向高角 度偏移,且其对应 的2θ角越来 越接近PDF标准谱图中 (002)衍射角 (34.4°),以上表明 随着退火温度 的升高,ZnO晶粒逐渐 长大,晶化程度 提高。

图1 不同退火温度下 ZnO/Cu/ZnO 薄膜的 XRD图谱 Fig.1 XRD patterns of ZnO/Cu/ZnO films annealed at various temperatures

根据X射线衍射理论,对于六方晶系,晶面间距与晶格常数的关系式为

式中:d为晶面间距;a,c为晶格常数;h,k和l为密勒指数。根据Bragg方程

式中:λ为X射线的波长;θ为布拉格衍射角。图1显示θ值随着退火温度的升高而变大,因此,由式 (1), (2)可得(002)晶面的晶格常数随着退火温度的升高而减小。较高的退火温度会加速ZnO/Cu界面处的原子扩散迁移。

图2为不同退 火温度下ZnO/Cu/ZnO薄膜的AFM形貌,所选区域为1μm×1μm。由图2可知,随着退火温度的升高,ZnO薄膜的粒径逐渐增大,150℃时粒径变化不大,温度升高到300,450℃时粒径显著增大。粗糙度分析显示,退火前,150,300,450℃退火后的粗糙度 分别为 (1.18±0.02),(1.25±0.03), (3.07±0.18),(5.24±0.53)nm,粗糙度逐渐升高。

图2 不同退火温度下 ZnO/Cu/ZnO 薄膜 AFM 形貌 (a)无退火处理;(b)150℃;(c)300℃;(d)450℃ Fig.2 AFM morphologies of ZnO/Cu/ZnO films annealed at various temperatures (a)as-deposited;(b)150℃;(c)300℃;(d)450℃

此外,图1中XRD结果显示(002)面衍射峰的半峰宽值随退火温度的升高而减小,也表明ZnO晶粒尺寸逐渐增大,与AFM结果相一致。这是因为退火温度升高,提供给原子迁移的能量也增加,晶界更容易迁移,从而使ZnO晶粒长大。

2.2 薄膜的电学和光学特性

图3为ZnO/Cu/ZnO薄膜在不同退火温度下的电学性能变化曲线。可以看出,与未退火薄膜相比,随着退火温度的升高,退火后薄膜的电阻率先降低后升高 ,载流子浓度先升高后降低,霍尔迁移率持续升高。在150℃时电阻率最低,为1.28×10-4Ω·cm,载流子浓度最高,为4.10×1021cm-3。

图3 不同退火温度下 ZnO/Cu/ZnO 薄膜电性能的变化曲线 Fig.3 Electrical properties of ZnO/Cu/ZnO films annealed at various temperatures

退火温度的升高有利于薄膜晶化程度的提高(见图1),从而降低对自由电子的散射而提高了载流子浓度及其迁移率,使薄膜的电阻率降低。然而,温度大于150℃后,纳米材料粒径显著增大(见图2),由于薄膜的量子尺寸效应,反而显著降低了载流子浓度,从而使薄膜的电阻率开始持续升高。

图4(a)给出了不同退火温度下ZnO/Cu/ZnO薄膜透光率随波长的变化曲线。可以看出,随着退火温度的升高,薄膜的透光率先升高后降低,150℃时透光率最高,为90.5%。这是因为在150℃退火时提高了薄膜晶化程度(如图1所示),减少了晶格缺陷,对光的散射和吸收作用减弱,从而提高了透光率[16];但是随着退火温度的提高,更多的Cu原子扩散到ZnO层,由于Cu原子对光子的吸收,降低了ZnO层的减反射效应,同时薄膜表面粗糙度升高,增强了对光的散射作 用,导致薄膜透光率反而降低,这与之前的文献报道 相似[17]。

图4中小图是薄膜紫外吸收边的放大图,可以看出,相对于未退火的薄膜,150℃下退火的薄膜紫外吸收边出现“蓝移”现象,禁带宽度变大;300℃和450℃退火后薄膜的紫外吸收边出现“红移”现象,禁带宽度变小。

图4 不同退火温度下 ZnO/Cu/ZnO 薄膜的紫外-可见光 透射光谱图(内图为薄膜紫外吸收边的放大图) Fig.4 Ultraviolet-visible transmittance spectra of ZnO/Cu/ZnO films at various temperatures(the inset figure is the enlarged view of ultraviolet absorption edge)

根据图4的透射光谱可以得到薄膜的(αhν)2与hν的关系曲线(其中,α为吸收系数,hν为光子能量), 如图5(a)所示。对于ZnO/Cu/ZnO薄膜材料,其α和hν满足关系式[18]:

式中:A为常数,Eg为禁带宽度。将图5(a)中曲线的直线部分外推至hν轴 (虚线所示)可得禁带 宽度Eg 值,如图5(b)所示,可以看出,与未退火薄膜相比,随着退火温度的升高,薄膜的禁带宽度先增大后减小,在150℃退火后Eg最大,为3.25eV。150℃退火后禁带宽度的增大是由Burstein-Moss迁移效应[19]引起的, 与薄膜中载流子浓度的增加(图3)有关。增加的载流子填充导带中较低的能级,使价带电子跃迁到导带中的较高能级,从而使禁带宽度变大[20]。然而,退火温度继续升高到300℃和450℃,薄膜的粒径增大,其量子尺寸效应使得载流子浓度降低,带隙变窄。

图5 不同退火温度下 ZnO/Cu/ZnO 薄膜的禁带宽度 (a)(αhν)2与光子能量hν的关系曲线;(b)禁带宽度随退火温度的变化曲线 Fig.5 Plots of band gap energy of ZnO/Cu/ZnO films at various temperatures(a)plots of(αhν)2 versus hν;(b)plots of band gap energy versus annealing temperature

3 结论

(1)退火前后薄膜均具有ZnO(002)择优取向。

(2)随着退火温度的升高,薄膜的晶化程度、晶粒粒径及粗糙度增加,薄膜电阻率先降低后升高,光学透过率和禁带宽度先升高后降低。

(3)退火温度为150℃时,薄膜性能主要受晶化程度影响,薄膜的电阻率减小,光学透过率和禁带宽度升高。

(4)退火温度在300℃以上时,薄膜性能主要受晶粒粒径和粗糙度影响,薄膜的电阻率升高,光学透过率和禁带宽度减小。

(5)150℃下真空退火的ZnO/Cu/ZnO薄膜的性能最佳,最高透光率为90.5%,电阻率为1.28×10-4 Ω·cm,载流子浓度为4.10×1021cm-3。

摘要：室温下利用磁控溅射制备了ZnO/Cu/ZnO透明导电薄膜,采用X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、霍尔效应测量仪和紫外-可见分光光度计研究了薄膜的结构、形貌、电学及光学等性能与退火温度之间的关系。结果表明:退火前后薄膜均具有ZnO(002)择优取向,随着退火温度的升高,薄膜的晶化程度、晶粒粒径及粗糙度增加,薄膜电阻率先降低后升高,光学透过率和禁带宽度先升高后降低。150℃下真空退火的ZnO/Cu/ZnO薄膜的性能最佳,最高可见光透光率为90.5%,电阻率为1.28×10-4Ω·cm,载流子浓度为4.10×1021cm-3。

ZnO透明导电薄膜 篇2

其中，触摸屏长期以来一直采用氧化铟锡（ITO）作为透明导电薄膜，制作成本较高，约占触摸屏总成本的40%，成为触摸屏普及的最大障碍。ITO成本过高与两方面因素有关：一是ITO一般由In2O3和SnO2组成，二者质量比为9∶1，其中，铟元素含量较高，且为稀有金属，价格较为昂贵；二是ITO的制作工艺以磁控溅射为主，使用的相关设备昂贵，效率较低。此外，由于ITO具有脆性，所以应用时必须有玻璃作为保护层，以保护内部的导体及感应器不受损。而玻璃保护层的加入，不仅增加了ITO生产工艺的难度（必须在真空环境下），也限制了触摸屏向柔性化发展。因此，寻找新型材料代替ITO，探索新的制备工艺，在降低生产成本的同时，促进透明导电薄膜向柔性化发展成为当下的研究热点。为此，纳米压印技术应运而生。利用纳米压印技术制成的透明导电薄膜（以下简称“纳米压印TCF”），也由此凭借面积大，制备工艺简单、环保，成本低，柔韧性强等优势而备受关注。

纳米压印TCF制作原理

纳米压印是指将母模或模板压入载有保形材料（一般为光刻胶）的基材上，保形材料将按照模板凸起的形状发生变形，通过紫外曝光或者热处理的方法使保形材料固化，移除母模或模板后，就可以得到与模板高低位置相反的图形信息。通过在图形信息表面刮涂纳米导电油墨，使凹槽填充导电油墨，经过热固化后即可得到透明导电薄膜。

纳米压印技术不仅可以复制XY方向上的图形，还可以在Z方向上压出台阶和轮廓线的结构。应用纳米压印技术制作的导电线路的精度在几纳米至几微米之间（线宽5微米以下，人眼就会辨认不出来，看到的导电线路为透明），能满足目前市面上各种应用场合对导电线路精度的要求。

纳米导电油墨是纳米压印TCF的关键材料

纳米压印TCF的关键材料是纳米导电油墨。纳米导电油墨是将高固含量（最高可达80%）的纳米导电颗粒分散在溶剂、树脂连结料和助剂中，形成稳定均匀的分散体系。

纳米导电油墨在应用时具有以下几方面的优势：纳米颗粒的尺寸小，固化温度可以降低到100℃甚至更低，能满足低温烧结获得高导电性的要求，扩大了基材的选择范围；通过印刷或涂布可以制作出精细的导电线路，满足轻薄化、透明化的要求；采用韧性树脂作为连结料，使得导电线路具有很高的柔韧性。基于以上原因，纳米导电油墨得到了广泛的应用尝试，正在导电薄膜行业引领技术革新。

纳米压印技术对纳米导电油墨的基本要求有以下几点。

（1）高固含量，固含量直接影响导电线路的导电性能。透明导电薄膜上的导电线路精细（最低可达几个微米），只有导电油墨具有很高的导电性，才能满足要求。银含量高的导电油墨还可以减少凹槽填充油墨的次数。

（2）较高的表面张力与较慢的干燥速度，与导电油墨所用溶剂的类型关系密切。导电油墨的表面张力较低，会使擦拭导电薄膜空白部分的导电油墨产生困难，残余的导电油墨会使导电薄膜的透光率急劇下降。导电油墨的干燥速度过快，则会使导电油墨在擦拭之前就已经干燥了，造成空白部分残余油墨严重和油墨结块。

（3）高柔韧性与高附着力，与导电油墨采用的树脂类型有关。若导电油墨成膜后脆性高，透明导电薄膜卷曲时会发生膜层断裂，影响导电性能。若导电油墨附着力低，擦拭过程会发生线路脱落的情况。导电油墨要实现高韧性与高附着力，最主要的途径是加入合适的连结料树脂。值得注意的是，加入的树脂不能超过临界值，否则导电油墨的导电性会大大降低。

纳米压印技术的研究进展

表1中为纳米压印TCF与其他同类产品的比较，从中可以看出，纳米压印TCF在性能上等同或优于其他同类产品，并在工艺上具有独特优势。目前，这项技术已经引起国内外的广泛研究，在我国就有专门的院所和公司对其进行研究，因此具有广阔的市场前景。

苏州大学袁晓峰先利用精密光掩膜板压印得到了2.5微米线宽的薄膜，然后通过银浆刮涂技术得到了表面电阻为3Ω/sq的金属网格导电薄膜，其在可见光波段的透光率为73%，平均雾度为8%，光学性质与网格的设计、银浆刮涂与擦拭等有关。

2010年，苏大维格光电科技股份有限公司的“一种透明导电膜及其制作方法”（Patterned tranparent conductive film， P-TCF）获国家高品质micro-metal-mesh透明导电薄膜发明专利授权。利用纳米压印技术和纳米银导电油墨制作P-TCF，解决了金属网格线宽窄和表面电阻低不兼容的难题，其2微米的线宽是当前所有metal mesh中最小的，完全看不到网格线。P-TCF具有表面电阻小于10Ω/sq、透光率达85%、成本低、柔性可挠曲等优点，完全符合大尺寸触摸屏的性能要求，甚至能够支持100英寸触控屏的使用。通过大量实验，苏大维格光电科技股份有限公司已经解决了生产P-TCF面临的相关工艺设备方面的难题，建立了卷对卷生产线，实现了大尺寸透明导电膜的批量化生产。

苏州纳格光电科技有限公司申请了关于图形化的柔性透明导电薄膜及其制法的专利，其采用可见光透光率达90%以上的热塑性聚合物、热固性聚合物或紫外光固化聚合物在PET基材上进行压印，得到沟槽宽度为0.5～10微米的正方形、六边形、三角形或圆形等基本单元的组合，使用纳米银或纳米铜墨水刮涂干燥后，得到了表面电阻小于10Ω/sq、透光率大于80%的柔性透明导电薄膜。

ZnO透明导电薄膜 篇3

透明导电ZnO薄膜是一种新型的Ⅱ-Ⅵ族宽禁带半导体氧化物材料, 具有可见光范围透过率高和电阻率低的特点, 在太阳能电池、平板显示、特殊功能材料以及智能窗口材料领域具有广阔的应用前景[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。与现在广泛应用的透明导电材料ITO (In2O3∶Sn) 相比, ZnO中的Zn在地壳中含量丰富, 价格便宜, 无毒, 并且ZnO薄膜的制备工艺简单, 能有效地降低成本。未掺杂的ZnO由于电阻率高、不稳定等缺点而未得到广泛应用。通常采用B、Al、Ga、In等ⅢA族元素对ZnO进行掺杂以提高其导电性和热稳定性[11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22]。掺杂的效果取决于元素的电负性以及其离子半径与Zn离子半径差别的大小[9]。与B3+、Al3+、Ga3+相比, In3+的离子半径与Zn2+的更加接近[9], 这样In掺入后所导致的晶格畸变就比较小;同时, In具有较大的电负性, 不如Al、Ga、Zn活泼, 不易形成氧化物, 更有利于In以替位的形式存在于晶格中, 提高薄膜的导电性[11]。

本文从晶体结构和能带结构出发, 综述了近年来In掺杂ZnO (ZnO∶In) 薄膜光电性能的研发概况, 并对其透明导电机制和提高光电性能的途径进行了简要讨论。

1 ZnO的结构与特点

纤锌矿的ZnO属六角晶系, 其空间群为P63mc[23], 结构如图1所示。

ZnO的晶格常数为a=3.249Å, c=5.206Å, 室温禁带宽度约为3.3eV, 每个晶胞中包含2个ZnO单元。本征ZnO的价带在费米能级之下, 导带在费米能级之上, 价带与导带底之间的光跃迁最可能出现在k值为G点的位置 (见图2) , 为典型的直接带隙半导体。价带的低能端主要来源于Zn的3d态, 少部分来源于O的2p态;价带的高能端主要是O 2p态的贡献, 少部分来源于Zn的3d态。ZnO的导带部分主要由Zn 4s态及4p态构成[23]。当掺入Ⅲ族元素替代晶格位置的Zn后, ZnO的晶格结构基本不变, 晶体中出现了大量的载流子, 使得电子态发生高度简并, 费米能级进入导带, 在Zn 3d态下方引入了宽度为0.1eV的由掺杂原子贡献的电子态, 态密度向低能方向移动, 光学带隙展宽[24]。掺杂有Ⅲ族元素的ZnO薄膜电阻率降低至10-4Ω·cm, 较大的禁带宽度 (大于3.2eV) 使其在可见光范围内透过率高, 成为具有极大潜力的透明导电氧化物半导体材料。

2 影响ZnO∶In薄膜光电性能的因素

表1对近年来不同研究者获得的ZnO∶In薄膜的光电性能进行了归纳总结。由表1可见, 薄膜的制备方法、掺杂浓度、生长条件、退火处理等均对IZO膜的光电性能产生影响。

2.1 制备方法

目前制备ZnO∶In薄膜的方法主要有:脉冲激光沉积 (PLD) 、溶胶-凝胶技术、喷涂热解、磁控溅射等。

2.1.1 脉冲激光沉积 (PLD)

脉冲激光沉积技术是近年发展起来的一种真空物理沉积工艺, 其生长参数独立可调, 可以精确控制化学计量比, 膜的平整度和均匀性较好, 易于实现多层结构薄膜的生长, 而且采用光学系统, 避免了不必要的污染。

R.K. Cupta等用PLD法在石英基底成功地制备了ZnO∶In透明导电薄膜, 靶中In的含量为1%、3%、5%、7%、10% (原子分数) , 沉积前的本底真空为10-4Pa, 衬底温度为200℃、400℃和600℃。实验发现当生长温度为400℃时, 掺入5% In的ZnO薄膜的电导率低至2.11×10-4Ω·cm, 同时薄膜有一个较大的能隙, 为3.94eV, 可见光范围内的透光率在80%以上[25,26]。

2.1.2 溶胶-凝胶法 (Sol-gel)

溶胶-凝胶法是一种高效的制膜技术, 一般以醋酸锌为原料, 在较低的温度下, 把锌的化合物以液相沉积出来, 直接制成涂层, 并退火得到多晶结构。溶胶-凝胶法成膜均匀性好, 对衬底的附着力强, 可精确控制掺杂水平, 设备简单, 制备成本低, 适用于批量生产。

E.J. Luna-Arredondo利用溶胶-凝胶法在玻璃衬底上制备出了ZnO∶In薄膜, 其中In的含量为3% (原子分数) 。把制备好的不同厚度的样品分别在真空、氩气和氧气中退火, 发现在500℃真空中退火1h后电阻率最小为1.3×10-2Ω·cm, 透光率在80%以上[27]。J.H.Lee也用Sol-gel法成功地制备出ZnO∶In薄膜, 其中In的含量为1% (原子分数) , 得到的最小电阻率为1.1×10-2Ω·cm, 可见光范围内的透光率为90%[28]。兰伟等利用溶胶-凝胶法得到的ZnO∶In薄膜具有较好的结构, 几乎无内部应力存在, 最小电阻率为10-1Ω·cm量级。从PL谱可知, In掺杂后ZnO薄膜在510nm附近的绿光发射峰明显增强, 一般认为ZnO薄膜在510nm附近的绿光峰源于占据在单电离氧空位的电子和价带空穴的复合发光, 证明掺入In后ZnO中的氧空位明显增加[29]。

2.1.3 喷雾热解法

M.A. Lucio-lopez等把醋酸锌溶于去离子水、醋酸与甲醇 (体积比为125∶50∶325) 的混合液中。选择甲醇是由于它具有较低的沸点, 易于挥发, 有利于制备出较高质量的薄膜;加入醋酸是为了避免在溶液中形成氢氧化锌的沉淀, 而水中的氧有利于形成ZnO。将In的不同化合物In (CH3CO2) 3、InCl3、In (NO3) 3和In2 (SO4) 3分别溶于去离子水与醋酸配比为3∶1的溶液中, 配好的溶液中In的含量为3% (原子分数) 。以玻璃为衬底, 沉积温度为475℃, 溶液和氮的流量分别为10mL/min和10L/min。研究发现, In的不同化合物对薄膜性能的影响不大, 2900nm厚薄膜的电阻率最小, 为 (2～3) ×10-3Ω·cm[15]。

M. Miki-Yoshida研究了掺杂含量 (0～8%, 原子分数) 对喷雾法制备的ZnO∶In薄膜光电性能的影响, 发现掺杂含量为3%时, 薄膜光电性能最佳, 最小电阻率为4×10-1Ω·cm[30]。J.Wienke研究了生长条件对喷雾法制备的ZnO∶In薄膜光电性能的影响, In的掺杂含量为1%～5%时, 分别以玻璃和生长了本征ZnO缓冲层的玻璃为衬底材料。研究发现, 在有缓冲层的衬底上制备的薄膜, 其结晶性能大大提高, 且3%为最佳掺杂含量, 该掺杂浓度下薄膜的最小电阻率为2.9×10-3Ω·cm, 载流子的迁移率和浓度高达12.5cm2/ (V·s) 和1.7×1020cm-3, 在可见光范围内的透光率为80%[31]。

2.1.4 磁控溅射技术

K.J. Kim报道了利用磁控溅射技术制备ZnO∶In薄膜, 以99.99%的ZnO和In2O3粉末为原料, 在1300℃烧结6h制备成靶, In在靶中的含量为0.1%～2% (原子分数) , 以Al2O3为衬底。载流子浓度在1019～1020cm-3之间变化, 而光学带隙出现了随载流子浓度增加而先增加后减小的情况, 当载流子的浓度为4×1019cm-3时, 光学带隙达到最大值3.4eV[32]。

Y.R. Park利用直流溅射的方法制备出ZnO∶In薄膜, 陶瓷靶中In的含量为1% (原子分数) , 衬底为7059玻璃, 基底真空为1.3×10-4Pa, 溅射过程中的功率、靶基距、溅射时间和压强分别为150W、7cm、15min和2Pa, 衬底温度在100～500℃之间变化。在500℃生长的薄膜, 其最小电阻率为5×10-3Ω·cm, 透光率为85%[33]。

笔者所在的研究小组利用射频磁控溅射技术成功地制备出In掺杂的ZnO薄膜。将含2% (原子分数) In的ZnO粉末压制成靶材, 以石英玻璃为衬底, 溅射前的基底真空度为6.6×10-4Pa, 以20sccm流量的Ar气为溅射源, 溅射压强为2Pa, 衬底温度从室温到300℃之间变化, 在衬底温度为150℃时制备了In掺杂ZnO薄膜, 其载流子浓度为5.1×1020cm-3, 迁移率为10.1cm2/ (V·s) , 电阻率为1.5×10-3Ω·cm, 可见光范围内的透光率达到90%[34]。

迄今为止, 在ZnO∶In薄膜的制备方法中以脉冲激光沉积最为成熟, 以其制备的ZnO∶In薄膜的最小电阻率可达2.11×10-4Ω·cm, 透光率达到80%以上 (光学能隙3.95eV) 。其次是喷涂热解和溶胶-凝胶技术, 电阻率也可达10-2量级。磁控溅射技术不太成熟, 虽然其电阻率可达10-3量级, 但这方面的研究工作还未大量展开, 而其它制备技术如化学气相沉积、电子束蒸发等用于制备ZnO∶In还未见报道。

2.2 掺杂浓度

In的掺杂含量对ZnO薄膜的光电性能起着决定性的作用。R.K. Gupta研究了不同掺杂浓度 (靶中In的原子分数为1%、3%、5%、7%、 10%) 对PLD制备的ZnO∶In薄膜电学性质的影响, 结果如图3所示。当In掺入量低于5%时, 薄膜中仅含有ZnO相, 掺入的In以替位Zn的形式存在或存在于晶格的间隙位置。由于In替代晶格位置的Zn可提供1个导电的电子, 薄膜中的载流子浓度增加。Hall测试结果表明In掺入量较少时, 载流子浓度和迁移率均随In掺入量的增加而增大, 致使电阻率降低;当In的掺杂量从1%增加至5%时, ZnO∶In薄膜的电阻率从10-3Ω·cm降低至10-4Ω·cm;而当In的含量增加至5%以上时, 由于In2O3相的生成, 导致载流子浓度和迁移率降低, 电阻率增加。实验得出In对ZnO的最佳掺杂含量为5%, 该含量下制备的薄膜具有最低的电阻率10-4Ω·cm和最大的光学带隙3.95eV[25]。

K.J. Kim 等研究了In掺杂含量对ZnO∶In光学能隙的影响, 如图4所示。当掺杂含量在0.1%～2%变化、载流子浓度增加到4.1×1019cm-3时, 光学能隙从未掺杂时的3.3eV增加到3.6eV, 其原因是Burstein-Moss[35]效应导致光学带隙增加;当载流子浓度继续增加时, 光学带隙则开始减小, 当载流子浓度增加至1.2×1020 cm-3时, 光学能隙减小至2.9eV。在此阶段多体效应所引起的光学带隙的减小占优势。实验得出当载流子浓度为5×1019 cm-3时ZnO∶In具有最大的光学带隙3.6eV[31]。

2.3 生长条件

R.K. Gupta研究了生长温度对薄膜电学性质的影响, 如图5所示。当生长温度从200℃升至600℃时, 薄膜的结晶度得到提高, 载流子浓度几乎不变, 而载流子的迁移率从5.1cm2/ (V·s) 提高至13.0cm2/ (V·s) , 电阻导率从4.5×10-4Ω·cm降低至1.12×10-4Ω·cm。可见, 采用合适的生长温度可以有效地降低薄膜电阻率。光学性质随生长温度的变化如图6所示, 随着生长温度的升高, 透光率增加, 而光学带隙未发生明显的改变[25]。

E.J.Luna-Arredondo研究了薄膜厚度对光学性质的影响情况, 从图7中可以看出, 随膜厚减小透光率明显增加, 光学吸收边向短波方向移动。薄膜厚度引起的光学吸收边的变化, 利用B-M[35]效应和多体理论[36,37]很难解释清楚, 因为薄膜厚度的变化对载流子浓度的影响并不明显。笔者认为膜厚导致光学吸收边的移动主要有2个原因: (1) 不同厚度的薄膜一般具有不同的晶粒尺寸, 较薄薄膜的晶粒尺寸一般较小, 小尺寸效应会使较薄的膜禁带宽度增加, 引起光吸收边向短波方向移动; (2) 厚度不同的薄膜, 其内应力也不相同, 而内应力对薄膜的光学吸收边也有较大的影响[29]。

除了生长温度对薄膜光电性质有较大影响外, 其它的生长条件, 如Sol-gel法的前期处理温度、磁控溅射过程中的压强、靶基距和溅射功率、PLD中的溶液流速等对薄膜的光电性能也有较强的影响, 但至今还没有关于这方面的报道。

2.4 退火处理

退火不仅可以消除薄膜的残余内应力, 改善结晶质量, 而且还可以减少晶格缺陷, 从而提高薄膜的电导率。E.J.Luna-Arredondo采用Sol-gel法在玻璃衬底上制备出ZnO∶In薄膜并研究了其在真空、氧气和氩气中退火的情况, 发现在真空中250℃退火有利于氧的解吸附, 增加薄膜中氧空位的数量, 而1个氧空位可以提供2个参与导电的电子, 从而增加了电子的浓度, 退火后电阻率从1.3Ω·cm降至1.3×10-2Ω·cm, 降低了2个数量级。在氧气中退火有利于氧的补充, 形成ZnO, 而在氩气中退火有利于氧的逸出, 形成更多的氧空位, 从而增加载流子的浓度, 降低薄膜的电阻[27]。

3 ZnO∶In的导电机制与提高ZnO∶In薄膜光电性能的主要途径

ZnO 薄膜属于n型电导的简并半导体材料, 因带隙较宽, 在室温下纯ZnO是绝缘的。但由于本征缺陷的存在, ZnO 往往具有一定的导电性。ZnO 晶体存在化学计量偏离理想配比时, 在绝大多数情况下是形成阴离子空位 (氧空位) , 从而产生氧空格点及金属填隙原子使相应的能带发生畸变, 在晶体中产生过剩的电子, 形成施主能级。该施主能级一般靠近导带底, 在室温下, 施主能级上的电子即可激发到导带, 从而形成n型电导。

在ZnO薄膜中掺入三价元素In, In替代了晶格位置的Zn后, 可以提供1个自由电子。在ZnO∶In薄膜中, 氧空位和替位掺杂是载流子的主要来源, 即薄膜内的载流子浓度主要来源于氧空位以及In3 + 对Zn2 + 的置换所提供的导电电子。 根据电阻率与载流子的浓度和迁移率的关系:ρ=1/ (neμ) 可知, 可以通过提高载流子的迁移率μ和载流子的浓度n来降低薄膜的电阻率。提高载流子的迁移率一般是尽量提高薄膜的结晶性, 减少薄膜内部的散射等;提高载流子的浓度主要是通过提高薄膜中O空位的含量、提高掺杂的浓度和尽可能地使掺杂元素以替位的形式存在来实现。笔者所在的研究小组通过试验证明, In的掺入能大大提高ZnO薄膜的结晶性, 另外薄膜制备过程中合适的衬底温度及后退火处理等能有效提高薄膜的迁移率。从掺杂含量的角度考虑, In的最佳掺杂含量大约为5% (原子分数) [25], 高于Al (1.5%) [38]和Ga (3%) [39]在ZnO薄膜中的最佳掺杂含量。从这2方面来看, 与Al和Ga相比, In的掺入更有利于降低ZnO薄膜的电阻率。

4 结束语

ZnO透明导电薄膜 篇4

ZAO薄膜可以通过干法或湿法工艺进行刻蚀。干法刻蚀可以实现速率可控且各向异性的刻蚀轮廓,而化学湿法刻蚀,具有工艺简单、成本低、产率高和刻蚀副产物易排除等优点,更具优势。ZAO薄膜容易被HCl、H3PO4、FeCl3和TMAH等溶液刻蚀[7,8,9,10],甚至是高度稀释的溶液,这会导致刻蚀速率和边缘线轮廓的可控性差。同时,ZAO薄膜的刻蚀行为还依赖其结晶度、绒面和厚度。因此,ZAO薄膜要用于器件的透明电极,研究其湿法刻蚀是非常有必要的。本实验用直流磁控溅射陶瓷靶材沉积了厚度约1μm的ZAO薄膜,并用盐酸、王水和草酸对ZAO薄膜进行化学湿法刻蚀,研究刻蚀对薄膜结构与性能的影响。

1 实验

以纳米粉体为原料,常压烧结制备了Al2O3掺杂量为3%(质量分数)的ZnO陶瓷靶材。采用FJL560B4型磁控溅射仪制备薄膜,溅射气体为高纯度氩气,直流溅射功率80W,溅射气压0.8Pa,气体流量24sccm,基片温度为室温,基片为载玻片。刻蚀时用BP212正性光刻胶和BP212显影液,刻蚀剂有盐酸、王水和草酸,刻蚀温度为室温。刻蚀后的薄膜先后用丙酮和去离子水超声清洗。

用X射线衍射仪分析薄膜的相成分和取向生长特性(XRD, AXS D8-ADVANCE, Bruker);用扫描电子显微镜分析薄膜的表面、断面形貌和刻蚀图案(SEM, JSM-5610LV, JEOL);用金相显微镜分析薄膜的光刻胶图案(GX60型);用四探针法测量(TRS-9型)薄膜的室温直流电阻率;用紫外-可见光分光光度计测量薄膜的透光率(VIS 723G型)。

2 结果与讨论

2.1 对薄膜微观结构的影响

图1是ZAO薄膜原位沉积和刻蚀后的XRD图。从图1可知,薄膜仍然保持六方纤锌矿多晶结构,谱线中没有出现Al2O3和ZnAl2O4等第二相,表明Al3+对Zn2+进行了有效替代,进而产生1个多余的自由电子使薄膜具有导电性。在原位沉积的ZnO∶Al薄膜的XRD谱中只存在(002)衍射峰,表明薄膜沿(002)晶面择优取向生长。经王水刻蚀后的薄膜由于非晶态的玻璃基片部分裸露,导致ZAO薄膜的(002)衍射峰较弱,而且出现了玻璃的XRD背景噪声谱线。两条衍射谱线(002)峰的衍射角都非常接近ZnO标准衍射谱线的衍射角(34.45°)。

图2(a)和(b)是原位沉积的薄膜表面和断面形貌图。从图2(a)可以看出,薄膜表面平整光滑,均匀致密,并且无裂纹和黑点出现。从图2(b)断面来看,晶粒呈柱状生长,薄膜与玻璃基片附着性好,用3mm胶带粘在薄膜上拉开无掉膜现象。在光伏器件应用中,为了耦合更多的光线进入器件,ZAO薄膜通常被设计成具有弹坑形貌的陷光结构[11],本实验使用了非常典型的0.5%稀盐酸溶液刻蚀方法,获得了具有陷光结构的ZAO薄膜。图2(c)-(f)是薄膜的陷光结构图,刻蚀时间分别为5s、15s、40s和60s。经稀盐酸刻蚀后,薄膜的表面布满了尺寸和深浅不一的弹坑,形成了绒面结构。薄膜经过5s刻蚀后只能形成少量的弹坑结构,陷光作用十分有限。随着时间的延长,弹坑的数量越来越多,且尺寸越来越大,也就是说薄膜的绒度越来越好。而经过40s刻蚀后可以形成良好的陷光结构,弹坑的尺寸大、数量多,而且彼此连接;但更长时间的刻蚀则使得弹坑间的棱形变差,反而削弱了陷光结构。

2.2 对薄膜图案形成的影响

为了研究ZAO薄膜的图案刻蚀性能,本实验采用了3种不同类型的刻蚀剂,分别是V(HCl)∶V(H2O)=4mL∶500mL,V(HCl)∶V(HNO3)∶V(H2O)=2mL∶6mL∶1000mL和4%(质量分数)的草酸溶液。光刻胶厚度约1μm,刻蚀时间6min,其结果如图3所示。图3(a)是ZAO薄膜显影后光刻胶图案的金相照片。从图3(a)可知,光刻胶图案轮廓清晰,无气孔和裂纹。从图3(b)可知,在盐酸溶液中刻蚀时,光刻胶产生了浮胶,使光刻图案产生变形。

图3(c)是薄膜在盐酸溶液中刻蚀的图案,由于薄膜在刻蚀过程中产生浮胶,不仅产生了断线,而且横向刻蚀严重,使线条宽度减小,图案精确程度差。图3(d)是薄膜在王水溶液中刻蚀的图案,轮廓非常清晰,刻蚀无残留,线条的垂直度较好。图3(e)是薄膜在草酸溶液中刻蚀的图案,轮廓非常清晰,但是存在刻蚀不完全,有残留,而且发生“底切”现象(薄膜断面位置因产生横向刻蚀形成U型面),这与草酸是一种弱酸,对薄膜的不同结晶面的腐蚀速率不同有关,这些残留可以从图3(e)的局部放大照片图3(f)中观察到。聊健翔等[12]对射频溅射制备的ZAO薄膜进行350℃热处理,用3.4%(质量分数)的草酸刻蚀,同样存在残留,EDS谱研究表明其残留物为ZnO,未出现Al的峰。对于这些残留物来说,可以在刻蚀过程中通过搅拌或超声振荡方式来帮助消除,这在ITO薄膜的草酸刻蚀中曾有报道[13]。薄膜在王水和草酸溶液的刻蚀过程中没有产生浮胶。从以上分析可知,ZAO薄膜在稀释的王水溶液中具有较好的刻蚀性,与ITO薄膜的刻蚀工艺兼容,因此国产BP212正性光刻胶和显影液能够满足ZAO薄膜电极图案光刻工艺的要求。

2.3 对薄膜光电性能的影响

表1为ZnO∶Al薄膜用盐酸、王水和草酸进行图案刻蚀后薄膜光电性能的变化。原位沉积的薄膜电阻率为7.4mΩ·cm,经过盐酸、王水和草酸进行图案刻蚀后,电阻率分别为8.7mΩ·cm、8.8mΩ·cm和8.6mΩ·cm。刻蚀后的薄膜电阻率略有增加,其原因在于刻蚀后薄膜的连续性遭到了破坏,只有部分具有导电性。薄膜透光率测量时包括了玻璃基片对透光率的影响,原位沉积的薄膜平均透光率为80%,经过盐酸、王水和草酸进行图案刻蚀后,薄膜的透光率略有降低,分别为76%、77%和78%,其原因在于图案刻蚀后形成了坑状结构,导致了光的散射。因此,薄膜经过湿化学刻蚀后光电性能并没有明显的下降。

3 结论

ZnO透明导电薄膜 篇5

目前,国内外关于ZZO透明导电薄膜研究的报道很少,Kim等[1]用脉冲激光沉积法制备的ZZO薄膜在可见光区的平均透过率只有88%;Paul等[2]用溶胶-凝胶法制备的ZZO薄膜,其最小电阻率为7.2×10-2Ω·cm;吕茂水等[3]采用射频溅射法制备出了较好的ZZO透明导电薄膜,其最小电阻率为2.07×10-3Ω·cm,可见光区的平均透过率接近92%。本文采用直流磁控溅射法在室温玻璃衬底上制备出了具有良好附着性能的ZZO透明导电薄膜,并详细讨论了厚度对ZZO薄膜的结构、光学和电学性能的影响。

1 实验

用JGP500C2型高真空多层膜磁控溅射系统在7059玻璃衬底上制备ZZO薄膜样品。所用ZZO靶材由纯度为99.99%的ZnO和ZrO2高温烧结而成,其中ZrO2的质量分数为5%。靶材直径为75mm,厚度为3.5mm,靶与衬底之间的距离约为60mm。溅射所采用的气体是99.999%的高纯氩气,溅射镀膜时的氩气流量为20mL/min,溅射压强为1.5Pa,直流溅射功率为130W。为了研究厚度对薄膜性能的影响,沉积时间在30～70min之间变化。衬底在放入溅射室之前,依次经无水乙醇擦拭、60℃丙酮溶液超声清洗10min、无水乙醇浸泡20min、去离子水反复冲洗后烘干。

利用D8 ADVANCE型X射线衍射仪(CuKα1靶,λ=0.15406nm)和FEI Sirion 200型热场发射扫描电子显微镜(SEM)研究ZZO薄膜的结构和形貌。用SDY-4型四探针测试仪测量室温下薄膜的方块电阻R,用SGC-10型薄膜测厚仪(测量精度小于1nm)测量薄膜的厚度l,薄膜的电阻率由公式ρ=Rl计算得到。用霍尔效应实验仪测量薄膜的迁移率和载流子浓度。用TU-1901型双光束紫外-可见分光光度计测量样品的光学透过率。

2 实验结果与讨论

2.1 厚度随沉积时间的变化

薄膜厚度随沉积时间变化的关系曲线如图1所示。在沉积时间从30min延长到70min的过程中,薄膜厚度几乎按线性的关系从358nm增加到782nm,其生长速率介于11～12nm/min之间。

2.2 ZZO薄膜的结构

图2为室温下在玻璃衬底上制备的ZZO透明导电薄膜的X射线衍射图谱。

由图2可见,ZZO薄膜的特征谱线与ZnO薄膜六角纤锌矿结构的特征谱线相吻合,说明Zr4+的掺杂并没有改变ZnO薄膜的结构,实验制备的ZZO具有六角纤锌矿结构。由于Zr4+半径(0.59Å)小于Zn2+半径(0.60Å),并且在ZZO薄膜的X射线衍射图谱中没有观察到ZrO2的衍射峰,表明Zr4+很可能是以替位原子的形式存在于ZZO薄膜中的。

厚度分别为358nm、593nm和782nm的3个ZZO薄膜都只存在1个极强的(002)晶面衍射峰,说明薄膜具有很好的c轴择优取向。厚度变化时,各衍射峰对应2θ(约为34.1°)的角位置没有发生明显变化,但衍射峰的强度及半高宽变化显著。当厚度为358nm时,薄膜的衍射峰强度最小,半高宽最大(约0.62°);而当厚度为593nm时,薄膜的衍射峰强度达到最大,半高宽最小(约0.42°),表明膜厚增大,薄膜的晶化程度得以提高,这与马洪磊等[6]研究Sn2O∶Sb时所得出的结论一致;当膜厚进一步增大时,薄膜的衍射强度开始减弱,半高宽增大,这意味着膜厚较大时薄膜的晶化程度降低。

ZZO薄膜的晶粒尺寸可以根据Seherrer公式D=0.89λ/(Bcosθ)求得,其中D为晶粒尺寸,λ为X射线波长,B为衍射峰的半高宽,θ为衍射峰所对应的衍射角。实验制备的厚度分别为358nm、475nm、593nm、702nm和782nm的薄膜样,其晶粒尺寸分别为13.3nm、16.4nm、19.7nm、17.9nm和16.9nm。可见,厚度对薄膜晶粒尺寸的影响较大,晶粒尺寸随厚度的增大先增大后又减小。

2.3 ZZO薄膜的电学性能

图3给出了ZZO薄膜的电阻率、霍尔迁移率和载流子浓度随厚度的变化关系。

当厚度从358nm增大到593nm时,由于霍尔迁移率和载流子浓度都显著增大,所以薄膜的电阻率迅速减小;而当厚度从593nm增大到782nm时,霍尔迁移率和载流子浓度都开始减小,导致薄膜的电阻率增大;在厚度为593nm 时,ZZO薄膜的电阻率具有最小值1.9×10-3Ω·cm,其霍尔迁移率和载流子浓度分别为16.9cm2/(V·s)和1.94×1020cm-3。ZZO薄膜的迁移率主要是由晶粒间界散射和电离杂质散射决定,而在本实验中薄膜的晶粒尺寸随厚度的增大变化显著,因此可以认为迁移率的变化主要是由晶粒间界散射决定。厚度增大时,薄膜的晶化程度提高,晶粒尺寸增大,薄膜中晶粒间界的浓度降低,而晶粒间界能够捕获自由载流子并对载流子有散射作用(即晶粒间界散射),所以晶粒尺寸的增大能延长载流子的寿命并减少晶粒晶界散射[7,8],这使得载流子浓度和迁移率都增大,薄膜的导电性能提高,电阻率减小。当厚度从358nm增大到593nm时,由于晶粒尺寸明显增大,导致电阻率迅速减小;而当厚度进一步增大时,晶粒尺寸减小,电阻率增大。

2.4 ZZO薄膜的光学性能

图4给出了不同厚度下ZZO薄膜在紫外-可见分光光度计上的透过率随波长的变化关系。薄膜在可见光(500～800nm)范围内的平均透过率都超过93%。光学带隙Eg是通过将α2-hν曲线的线性部分外推得到的(即α2=0时hν的数值),α是吸收系数,由公式α=(1/l)ln(1/T)求得,其中l是薄膜的厚度,T是薄膜的透过率,h是普朗克常数,ν为光波的频率[1]。

厚度为782nm时,ZZO薄膜吸收系数的平方随光子能量的变化关系如图5所示,其光学带隙约为3.84eV,明显大于ZnO(约3.37eV)的光学带隙。这是因为导带的最低能级被大量的带电载流子占满所引起的,即Burstein-Moss位移效应。

3 结论

利用直流磁控溅射法在7059玻璃衬底上制备了可见光透过率高、电阻率低的ZZO透明导电薄膜。研究表明,厚度对ZZO薄膜的结构和电学性能有很大影响。实验制备的ZZO薄膜为六角纤锌矿结构的多晶薄膜,具有垂直于衬底方向的c轴择优取向。在厚度为593nm时,薄膜的电阻率具有最小值1.9×10-3Ω·cm,其霍尔迁移率和载流子浓度分别为16.9cm2/(V·s)和1.94×1020cm-3。所制备薄膜样品具有良好的附着性能,其可见光平均透过率都超过93%。高透过率、低电阻率的透明导电薄膜ZZO可广泛应用于液晶显示器、太阳能电池等微电子领域。

参考文献

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ITO透明导电薄膜的制备工艺研究 篇6

氧化铟锡(ITO)薄膜是一种n型半导体晶体薄膜,由于能将其导电性与晶体性有机地结合在一起,成为一种透明导电膜,还具有高硬度、耐磨性、耐化学腐蚀特性以及良好的加工性能,所以在各种平板显示器、太阳能电池、电致变色功能膜、红外遥感探测器等领域,得到了广泛的应用[1]。

近年来,我国在ITO膜的研究和制备方面进展很快,在各类制备方法中,溶胶-凝胶法是目前工业上比较常用的工艺方法,具有生产设备简单、工艺过程温度低、易实现制备多组元且掺杂均匀的材料等优点。采用溶胶-凝胶法制备ITO薄膜多以铟、锡的有机醇盐为前驱物。以铟、锡的无机盐为前驱物,采用溶胶-凝胶法制备的ITO薄膜,比以有机醇盐为前驱物的溶胶-凝胶法制备成本低。本文以InCl3·4H2O和SnCl4·5H2O为前驱物,采用溶胶-凝胶法制备ITO薄膜,并研究了影响薄膜光电特性的各种工艺参数,得出了最佳工艺条件;最后采用最佳工艺制备出的ITO薄膜具有较好的光电特性,对生产实践具有一定的价值。

1 实 验

1.1 溶液的配制

按一定比例称取适量前驱物(InCl3·4H2O和SnCl4·5H2O)溶于无水乙醇中,并加入适量的蒸馏水,取R(水与铟锡盐的摩尔比)为25,经过搅拌配成均相溶液,并在室温下静置48 h后形成透明溶胶。

1.2 ITO薄膜的制备

采用经过超声清洗的洁净的载玻片作为基片,制膜时采用甩膜法,甩膜速率1 500 r/min,甩膜时间20~30 s,甩膜后的载玻片置于管式炉内进行预处理,在玻璃基体上获得ITO薄膜。通常经一遍甩膜、热处理所制备的ITO薄膜厚度很薄,所以实验中采用在一块基片上多次甩膜和热处理的方法制备ITO薄膜。

1.3 样品分析

ITO薄膜的方阻由四探针法测量,透光率由平面光栅单色仪通过测量载玻片制膜前后的透光率的比值求得。

2 实验结果与分析

2.1 热处理初始温度对光电特性的影响

在溶胶浓度为1%、铟锡比例为4∶1、热处理温度为450 °C、热处理时间为20 min、热处理次数为6次的条件下,对镀有溶胶的玻璃片进行不同热处理初始温度(100 °C、200 °C、300 °C、350 °C、400 °C、450 °C)的热处理。热处理以后对ITO薄膜进行光电特性测试,得出热处理初始温度与ITO薄膜的光电特性关系如图1、图2所示。

由图1和图2可知,当ITO薄膜的热处理初始温度在100~200 °C之间时,随着热处理初始温度的增大,方阻迅速减小,透光率缓慢增大;当热处理初始温度在200~400 °C之间时,随着温度的增大,方阻缓慢降低直到400 °C左右时达到最小值,而此时薄膜透光率逐渐增大至最大值;400 °C以后,随着热处理初始温度的增大,ITO薄膜方阻迅速增大,透光率明显下降。

故热处理初始温度在400 °C时,ITO薄膜的光电特性最好。

2.2 镀膜层数对光电特性的影响

在溶胶浓度为1%、铟锡比例为4∶1、热处理温度为450 °C、热处理时间为20 min、热处理初始温度为400 °C的条件下,对镀有溶胶的玻璃片进行多次(共10次)热处理。每次热处理以后测试ITO薄膜的膜电阻和透光率,得出镀膜层数与ITO薄膜的光电特性关系如图3、图4所示。

由图3可知,甩膜5遍以前,随着甩膜次数的增加,ITO薄膜厚度增加,薄膜方阻迅速减小,透光率迅速下降;甩膜5~8遍,随着甩膜次数的增加,薄膜厚度增加,方阻缓慢的减小,透光率几乎保持不变;甩膜8遍以后,随着甩膜次数增加,ITO薄膜方阻几乎保持不变,薄膜透光率有少许下降,但变化不大。这是因为在ITO薄膜厚度很薄(涂覆5层以下)时,薄膜不连续,像一个个的小岛一样地分散分布在玻璃衬底表面[2],在热处理过程中不利于晶粒的形成和生长,导致方阻过大,透光率较高。而在甩膜5层以下时,随着甩膜层数增加,薄膜方阻和透光率均迅速下降;当甩膜层数大于5层时,随着薄膜厚度逐渐增加,在热处理过程中ITO薄膜的晶化越来越充分,薄膜方阻逐渐降低并趋于稳定,透光率几乎保持不变。综合考虑镀膜层数8次时,ITO薄膜光电特性最好。

2.3 溶胶浓度对光电特性的影响

在热处理初始温度为400 °C、铟锡比例为4∶1、热处理温度为450 °C、热处理时间为20 min、热处理次数6遍的条件下,对镀有不同浓度(0.5%、1%、1.5%)溶胶的玻璃片进行热处理。热处理以后对ITO薄膜进行光电特性测试,得出溶胶浓度与ITO薄膜的光电特性关系如图5、图6所示。

由图5和图6可知,在整个溶胶浓度的变化过程中,随着浓度的增大,ITO薄膜方阻不断减小;而对于薄膜的透光率,当溶胶浓度由0.5%增大至1%的过程中,透光率缓慢下降;当大于1%以后,ITO薄膜的透光率随着溶胶浓度的增大而迅速下降。

综合考虑方阻和透过率,溶胶浓度在1%左右,ITO薄膜的光电特性最好。

2.4 热处理时间对光电特性的影响

在热处理初始温度为400 °C,溶胶浓度为1%、铟锡比例为4∶1、热处理温度为4500 C、镀膜次数6遍的条件下,对镀有溶胶的玻璃片进行不同热处理时间(5 min、10 min、20 min、30 min、40 min、50 min)的热处理。热处理以后对ITO薄膜进行光电特性测试,得出热处理时间与ITO薄膜的光电特性关系如图7、图8所示。

由图7可知,当热处理时间在5~10 min中时,随着热处理时间的增加,ITO薄膜方阻缓慢减小;当热处理时间在10~20 min中时,随着热处理时间的增加,薄膜方阻迅速减小直到20 min达到最小值;当热处理时间在20~30 min时,随着热处理时间的增加,薄膜方阻迅速增大;当热处理时间大于30 min时,方阻几乎保持不变;热处理时间较短时,ITO薄膜晶粒较小,方阻较大;随着热处理时间的增加,薄膜晶粒变大,方阻迅速下降;当热处理时间超过20 min后,随着热处理时间的增加,ITO薄膜晶粒尺寸变化不大,方阻比较稳定。

由图8可知,当热处理时间小于20 min时,随着热处理时间的增加,透光率迅速增大,直到热处理时间20 min达到最大值,20 min以后,随着热处理时间的增加,透光率缓慢地下降。热处理时间超过20 min后ITO薄膜的透光率基本不随着热处理时间的增加而变化。

故热处理时间在20 min时,ITO膜的光电特性最好。

2.5 热处理温度对光电特性的影响

在热处理初始温度为400 °C,溶胶浓度为1%、铟锡比例为4∶1、热处理时间为20 min、镀膜次数6遍的条件下,对镀有溶胶的玻璃片进行不同温度(300 °C、350 °C、400 °C、450 °C、500 °C)的热处理。热处理以后对ITO薄膜进行光电特性测试,得出热处理温度与ITO薄膜的光电特性关系如图9、图10所示。

由图9可知,热处理温度小于450 °C时,随着热处理温度的增加,ITO薄膜方阻不断地减小,直到热处理温度为450 °C时达到最小值;热处理温度大于450 °C时,随着温度的升高薄膜方阻不断增大;这是因为热处理温度较低时,薄膜晶粒较小,方阻较大;随着热处理温度的升高,ITO薄膜晶粒增大,有利于方阻的下降;当热处理温度接近500 °C附近时晶格畸变严重,抵消了晶粒增大有利于方阻下降的影响,导致热处理温度超过450 °C后,ITO薄膜方阻转为增加。

由图10可知,热处理温度对ITO薄膜透光率的影响在450 °C之前并不大,当热处理温度小于450 °C时,随着热处理温度的增加,透光率逐渐增大,直到热处理温度450 °C时,透光率达到最大值;当热处理温度大于450 °C时,随着热处理温度的增加,透光率迅速下降。

故热处理温度在450 °C时,ITO膜的光电特性最好。

2.6 铟锡比例对光电特性的影响

在热处理初始温度为400 °C、溶胶浓度为1%、热处理温度为450 °C、热处理时间为20 min、镀膜次数6遍的条件下,对镀有不同铟锡比例(2∶1,4∶1,6∶1,8∶1,10∶1)的溶胶的玻璃片进行热处理。热处理以后对ITO薄膜进行光电特性测试,得出铟锡比例与ITO薄膜的光电特性关系如图11、图12所示。

由图11可知,铟锡比例较小和较大时ITO薄膜方阻均较大,当铟锡比例小于4∶1时,随着铟锡比例的增大,方阻迅速减小直到4∶1附近时达到最小值;当铟锡比例大于4∶1时,随着铟锡比例的增大,方阻不断的增大。这是因为由于掺杂的锡离子一方面会形成电子施主,另一方面又会引起晶格畸变,产生陷阱能级,形成电子复合中心。铟锡比例较小,陷阱态密度大,使电子复合增多,方阻较大;铟锡比例较大,电子浓度小,方阻较大;合适的铟锡掺杂比例能为ITO薄膜提高更多的电子,提高薄膜的电导率,方阻较小。此实验结论与范志新等人[3]得出的有关溶胶-凝胶法制备的最佳掺杂量的理论结果w(Sn)=15.79%吻合。

由图12可知,铟锡比例小于8∶1时,随着锡的含量的降低,ITO薄膜透光率不断地减小;薄膜中铟锡比例大于8∶1以后,透光率几乎保持不变。可见ITO薄膜中锡离子含量的增加有利于提高ITO薄膜的透光率。

故当ITO薄膜中铟锡比例在4∶1时,薄膜的光电特性最好。

2.7 最佳实验

在热处理初始温度为400 °C、溶胶浓度为1%、热处理温度为450 °C、热处理时间为20 min、铟锡比例为4∶1、镀膜6次的条件下制备出ITO薄膜,对其进行如下的测试。

1.X射线衍射分析

经过X射线衍射分析,可知利用溶胶-凝胶法制备的ITO薄膜中含有体心立方的In2O3, Sn4+离子取代In2O3晶格中的In3+离子。

2.光电特性

对ITO薄模进行光电特性测试,其方阻达到600 Ω/□,对可见光的平均透过率达到83%,如图13所示。

3 结 论

通过实验,发现溶胶-凝胶法制备ITO薄膜的最佳工艺条件为:溶胶浓度为1%,铟锡比例为4∶1,甩膜后立即热处理,热处理初始温度400 °C,热处理温度450 °C,热处理时间20 min,镀膜8次为宜。采用该工艺制备的ITO透明导电膜是结构为体心立方的In2O3结构多晶体,Sn4+离子取代In2O3晶格中的In3+离子,样品不含低价氧化锡,薄膜的光电特性较好,薄膜方阻达到600 Ω/□,可见光平均透过率83%。

参考文献

[1]辛荣生,林钰.ITO薄膜的制备及其光电特性研究[J].电子元件与材料,2005,24(9):39-41.

[2]杨觉明,张康虎,余申卫,等.热处理温度对ITO薄膜组织与光电性能的影响[J].热加工工艺,2004,12:26-28.

ZnO透明导电薄膜 篇7

透明导电薄膜是把光学透明性与导电性能复合在一体的光电材料,广泛地应用于光电子器件中,如触摸屏、液晶显示器、发光二极管和太阳能电池。目前,用作透明电极的材料主要是透 明导电氧 化物 (TCO),其中又以 氧化铟锡[1](In2O3∶Sn,ITO)为主。ITO薄膜具有电阻低(<10Ω/□)、 透过率高(>90%)的特点[2],生产工艺成熟。然而,ITO也有一些缺点,最主要的是要用到稀有金属铟,生产过程需要高温、真空条件,成本较高。此外它的脆性限制了其在柔性、 可折叠设备上的应用。因此,越来越多的人致力于研究新的可替代ITO的材料。目前,主要的新 型材料有5种:石墨烯[3,4]、碳纳米管[5]、导电高分 子[6]、银纳米线[7,8,9]和金属网 格[10,11]。

本文将从新型透明导电膜的研究现状和应用分析入手, 重点综述金属网格的理论研究、制备以及器件集成的研究进展和应用。

1常见的新型透明导电薄膜

石墨烯在可见光波段具有高载流子迁移率、高透过率(90%)的特点,是透明导电薄膜的良好材料,制备方法主要有机械剥离 法[12]、液相法[13,14]、高温CVD法[14,15]、热分解SiC[16]。高温CVD法制备的石墨烯,其光电性 能可与ITO相比,但是不适于大规模生产。采用液相法可以低成本、大规模生产石墨烯,但所得石墨晶界缺陷多、片层间接触电阻大,光电性能较差(80%,3kΩ/□)[4],无法替代ITO。

碳纳米管可以看作由石墨烯片层卷曲而成的圆柱,分为单壁和多壁两种。单个碳纳米管的电阻率较低,单壁碳纳米管电阻率小于1×10-6Ω·cm[17],多壁碳纳米管电阻率约为3×10-5Ω·cm[18]。同时,碳纳米管具有良好的力学性能,可用于制备柔性器件,是替代ITO的绝佳材料。但是单个碳纳米管间的接触电阻非常大,限制了其作为透明导电薄膜的应用。2011年Hecht等制备出透过率为91%时方块电阻为60 Ω/□ 的碳纳米管薄膜,是目前光电性能最好的碳纳米管薄膜[19]之一,但仍低于ITO。

导电高分子薄膜可以采用液相法大规模制备,成本低, 且具有优良的力学性能,最常用的材料是PEDOT∶PSS[20], 当透过率高于90%时,其电阻率通常大于100Ω/□。这样的性能可以 用在触摸 屏上,但不足以 用在太阳 能电池和OLED器件上替代ITO。

银纳米线透明导电膜制备方法简单,适宜大尺寸、大规模制备,主要的制备方法有旋涂法[19]、提拉法、滚涂法[21]、印刷法[22]。已有多家公司参与银纳米线技术的研发和制备,如Cambrios、Carestream、Blue Nano、Poly IC,其中行业领导者Cambrios公司通过改进合成、纯化和成膜工艺,制备出透过率为95%,方块电阻为20Ω/□ 的银纳米线薄膜。提高银纳米线的密度可以进一步降低方块电阻,当方块电阻小于30 Ω/□时,薄膜的雾度增加。较高的雾度限制了银纳米线薄膜在显示器件上的应用[21,23],减小银纳米线直径可以降低薄膜的雾度。Kim等[23]报道了银纳米线透明电极的透过率和雾度呈反比关系,当透过率大于95%时,其雾度仅为3%,然而此时纳米线之间较差的接触导致了低导电性。若要在降低雾度的同时保持较好的导电性,必须延长银纳米线的长度。 因此,制备较大长径比的银纳米线透明导电薄膜已经成为研究热点,同时也是一个难点。

金属网格(Metal mesh)技术利用银、铜等金属材料在玻璃或PET等塑胶薄膜上生长形成导电金属网格图案。金属网格的电阻率比ITO低,通常小于10Ω/□,可以实现卷对卷生产,且网格的抗弯折性良好,可用于柔性器件,因此是替代ITO的良好材料。金属网格以其优异的光电性能获得了广泛关注,其光学透过率和电阻率可以独立地调节,被视为替代ITO的强有力竞争者。

2金属网格透明导电薄膜

为制备出低成本、高性能的金属网格透明导电薄膜并且扩大其市场应用价值,许多学者和机构从理论和实验上研究了金属网格透明导电薄膜。

2.1理论研究

Peter B Catrysse等[24]采用有限频域差分法(FDFD)研究了光在一维和二维金属网格中传播的物理现象和机理,并且研究了网格几何参数对透过现象的影响,旨在不增加薄膜电阻的前提下提高薄膜的透过率,如图1所示。研究发现, 一维网格具有偏振特性,可以高效透过TM偏振光,而对TE偏振光具有截止效应。降低薄膜厚度到小于金属的趋附深度时,可提高TE偏振光透过率,而当薄膜厚度降低后,TM偏振光的透过率由于等离子体共振的产生而受到严重影响。 从图1(b)中可以看到当电阻为定值时垂直透过率随线宽的变化。在电阻一定时,更窄更高 的金属线 具有更高 的透过率,为金属网格透明导电薄膜的设计提供了理论依据。

Groep等[25]在Catrysse等工作的基础上进一步研究了二维金属网格对光的传播机制,设计并制备了线宽为45~ 110nm,周期为500nm、700nm和100nm的二维金属网格透明导电薄膜。通过时域有限差分法(FDTD)模拟了金属网格的光学透过率并和实验结果进行对比,得出了主导光在金属网格中传播的4种物理机制:(1)单个金属线上的局域表面等离子体共振;(2)瑞利异常的衍射耦合;(3)金属线形成的金属-绝缘体-金属波导中基本TE波传播模式的截止 效应;(4)平行于电场方向的金属线上的表面等 离子体耦 合。 他们分析指出这4种现象是由局部表面等离子体和表面等离子体共振在金属线上的激发所致,这为低电阻高透过率的金属网格透明导电薄膜的设计提供了理论指导。

Afshinmanesh等[26]采用有限 元模拟和 实验结合 的方法,通过对一维栅线、二维方格和希尔伯特曲线金属电极的对比研究,进一步探索了光对不同结 构金属网 格的透过 现象,制备出具有不依赖偏振光特性和高透过率的透明导电薄膜。

文献[27]研究了基底对一维金属网格透明电极透过率的影响,应用FDTD模拟了不同周期、线宽的一维金属网格在无基底和有SiO2基底时的透过率,指出基底对周期为微米尺度的金属网格的透过率没有影响,但会降低纳米尺度的金属网格的透过率。

虽然上述文章对金属网格的光透过现象做了大量研究, 但仍局限于简单的结合图案,要提高金属网格的设计,还需要更多的理论研究。

2.2制备方法

2.2.1激光烧结法

Hong等[28]采用激光烧结Ag颗粒墨水 并将未烧 结的Ag墨水洗去的方法在柔性衬底上制备出二维金属方格透明导电薄膜,如图2所示。金属网格的线宽为10~15μm,透过率为85%,方块电阻小于30Ω/□。网格的透过率和电导率可以通过控制线宽和线间距调节。Lee等利用该方法直接烧结NiO颗粒墨水制备出Ni金属网格,当相邻线中心间距为80μm时网格的透过率为87%,方块电阻为655Ω/□。该方法的主要缺点是金属颗粒墨水利用率低,使得成本升高。

2.2.2喷墨打印和书写法

Ahn[29]用银颗粒墨水直接书写制备金属网格,金属线宽为5μm,高280nm,线中心间距在100~400μm。当间距为400μm时其透过率最高,为94%。在200~350 ℃ 下退火2h,可获得具有导电性的金属网格,电阻率为3.64×10-5Ω· cm。

Zhang等[30]将喷墨打印和咖啡环效应结合,发明了一种新的制备金属网格透明导电薄膜的方法。在基底上喷墨打印银纳米颗粒墨水,形成线条型网格。由于咖啡环效应,线边缘产生蒸发损失,而毛细液体流不断补充边缘的损失,从而不断将Ag纳米颗粒输送到三相接触线,线条最终分隔成2条线。由Ag纳米颗粒组成的细线宽度为5~10μm,这些细线构成金属网格。在玻璃基底上制备的金属网格透明导电薄膜的透过率为91%,在200 ℃下退火2h后透明导电薄膜的电阻率在2.61×10-6~5.76×10-7Ω·cm。在较高温度下烧结Ag颗粒限制 了其在柔 性衬底上 的应用。 随后Zhang[31]通过对Ag纳米颗粒进行改性,在PET上直接制备出金属网格透明导电薄膜,其透过率为94%,方块电阻为30 Ω/□。

Cui等[32]在PET上制备出嵌入式银网格和PEDOT∶ PSS复合透明导电薄膜,如图3所示。在PET基底上制出宽度和深度均为3μm的正六边形沟槽,随后向沟槽中填入银颗粒墨水,烧结后形成银网格。

采用喷墨打印和书写的方法,简单方便,便于大规模生产制备,但线宽受喷嘴尺寸和银纳米颗粒大小的限制。

2.2.3晶界印刷及模板法

晶界印刷利用晶界为模板,在晶界处生长目标金属得到晶粒状金属网格[33]。研究人员首先在硅片 上沉积In/SiOx双层膜;之后用HNO3腐蚀In晶界;采用热氧化法将In氧化生成岛状In2O3晶粒;再用HF底切晶界;进而在沟槽处沉积金属Au;最后将In2O3和SiOx除去得到 晶粒状Au网格。 单个网格大小约 为700nm,线宽为90nm,镜面透过 率为83%,此时方块电阻为20Ω/□。同时Au网格具有良好的可伸缩性,在50%应变下变形1000次仍保持较好的导电性 (电阻从21Ω/□提高到67Ω/□),为透明导电薄膜在柔性可折叠光电设备上的应用提供了选择。

晶界印刷的主要缺点是工艺复杂,制作成本高昂。Han等[34]以开裂的TiO2溶胶膜为 模板,沉积金属Ag后去除TiO2薄膜制备出Ag网格电极。在PET基底上沉积的Ag网格的平均网格尺寸约为65μm,线宽为1μm,测得的电阻为10Ω/□,透过率高达88%。Rao等[35]采用廉价的高分子薄膜开裂为模板,在室温下制备Ag网格透明电极,透过率在电阻为10Ω/□时高达86%。利用开裂的薄膜为模板,适用于各种金属或基底材料,简单方便。但是裂纹及网格大小难以实现精确控制,重复性差。

利用自组装和纳米球印刷的方法是另一种常见的制备蜂窝状金属网格的模板法。该方法包含以下3个过程:首先将PS小球排布在基底上形成单层或多层模板,可通过多种方法实现,如旋涂法或提拉成膜;其次在PS小球形成的孔洞上沉积目标金属(可采用磁控溅射、电子束蒸发等方法);最后将PS小球除去得到蜂窝状金属网格。

Zhu等采用电子束蒸发 法在PS小球表面 获得蜂窝 状Ag网格。以氧气反应离子刻蚀PS小球调节小球间孔隙大小,刻蚀的效果可以通过改变气流速度、反应离子刻蚀功率和时间加以调控[36]。Gao等[37]采用微米尺寸的PS小球为模板制备出六边形中心间距为1300nm的铜网,测得的透过率为80%,电阻为17Ω/□,见图4。

2.2.4光刻法

光刻法制备金属网格透明电极是一种常用的方法,可以实现大尺寸大规模制备,工艺成熟。Sam等[38]采用光刻的方法制备出半透明的蜂窝状Au网格,线宽为3μm,线间距为10μm。Au网格的透过率为63%,电阻为15Ω/□。通过改变线宽和网格尺寸大小可以调节金属网格的透过率和电阻率。

Lim等[39]用光刻法制备了不同尺寸周期的方格、三角形图案的Ag网格透明电极(图5)。在原文献的线宽为5μm、 周期为100μm二维方格的基础上,设计了三角形、加密方格的网格结构,较为系统地研究了几何图案设计对Ag网格电极的光电性能的影响,得到了最佳品质因子的网格结构。

采用光刻的方法可以实现大尺寸大规模制备,但线宽较大(>3μm),易造成莫瑞干涉问题,限制了其在高分辨率智能手机、平板电脑等高分辨率的产品上的应用,减小线宽到纳米尺度可以有效消除莫瑞干涉的问题。

2.2.5纳米压印法

郭凌杰[40]课题组首次采用纳米压印法制备金属网格透明导电薄膜。用不同尺寸的模板进行2次压印,得到线宽为200nm、周期为700nm的金属网格,如图6所示。金属(Au、 Al、Cu)透过率均在60%左右。改变线宽可以调节金属网格的透过率和电阻率,如当线宽为120nm时,金属的透过率提高到75%左右,Au的电阻从7.68Ω/□升到11.7Ω/□。纳米压印技术可以高产出制备高精度的金属网格透明导电薄膜,但是要实现大尺寸制备还面临挑战,因为当尺寸增大时, 模板和压印图案接触面积增大会引发剥离困难、压印图案变形的问题,同时制备高精度的模板通常需要用电子束刻蚀或聚焦离子束刻蚀的方法,耗时且价格昂贵。

3金属网格在光电器件中的应用

3.1触摸屏

根据分析公司IHS iSuppli的预测,全球触控面板的出货数量在2016年之前会达到30亿个。图7中,IHS最新报告显示,金属网格占非ITO薄膜市场的85%。触控面板市场的迅速增长,为金属网格的应用提供了绝佳商业机会[41]。

触控面板的大尺寸化是未来发展的方向,而金属网格在大尺寸触控面板上的应用占有绝对的优势。金属网格具有低电阻、高透过率及良好的抗弯折性等优点,可以应用在柔性可折叠设备上;同时采用卷对卷生产可以实现低成本大规模生产,使得其占大尺寸触控导电膜市场主流地位。例如, 欧菲亚公司采用卷对卷印刷的方法制备出大尺寸的金属网格触摸屏;并且采用2μm线宽和随机网格设计消除了莫瑞干涉现象,电阻小于10Ω/□。大尺寸金属网格触摸屏的实现使得金属网格成 为替代ITO的最有潜 力的材料。Cima NanoTech采用自组装技术在PET上制备随机图案银网格, 其制备工艺简单、无摩尔纹现象,非常适合制作大尺寸触摸板。

3.2太阳能电池

发展有机太阳能技术最大的驱动力是由于其低成本的潜力[42],采用廉价、力学性能好的材料替代ITO成为降低成本的重要途径。

Guo[43]利用纳米压印技术制备金、银、铜金属网格,并将其用于有机太阳能电池,与ITO作为电极的电池进行对比研究,4种电池的转换率均达到2%,证明金属网格电极可以获得与ITO同等的效果。同时纳米结构的金属网格具有陷光作用,提高了电池的效 率。并且当金 属的功函 数比导电 层PEDOT∶PSS的功函数更低时,可促进电荷转移,提高填充因子和能量转换效率。Zhu等[44]用纳米球印刷法制备出金圆孔网格,用于有机太阳能电池的透明电极。与ITO电池相比,虽然金属电极电池的短路电流较低,但是其具有高的填充因子(61%),能量转换效率(3.12%)与ITO电池相当。研究证明金属网格作为有机太阳能电池透明电极具有可观的前景。Cui[32]在PET上制备出嵌入式银网格和PEDOT∶ PSS复合透明导电薄膜,并将其用于有机太阳能电池。高分辨率、嵌入式的Ag网格提高了载流子的收集效率,使得复合薄膜具有很低的方块电阻,为6.1Ω/□,相应地电池能量转化效率达到了1.36%。由于金属网格电极厚度不均匀(带孔洞),在应用于太阳能电池中容易造成电流短路或器件失效, 通常在表面涂一层PEDOT∶PSS[43]可有效防止电流短路, 但是会降低填充因子进而降低电池效率。将金属网格和其它材料(如石墨烯、TCO)组成复合透明电极已经成为一个新的研究热点,Song等[45]在Ag网格电极表面制备50nm厚的ZnO缓冲层,降低了Ag网格电极表面粗糙度,促进了载流子收集,进而大幅提高有机太阳能电池的光电转换效率。

3.3 OLED

OLED作为下一代的电视技术,具有反应快、质量轻、厚度薄、构造简单和成本低等优点。OLED技术发展迅速,但在大尺寸技术上的瓶颈仍难突破。其中,大尺寸、高性能、低成本的透明导电膜是一大关键技术难点。

金属网格透明电极可以在柔性衬底上实现低成本、高质量制备,使得其成为替代ITO用于OLED透明电极的合适材料。Guo[40]用纳米压印方法制备一维栅线铜电极并替代ITO用作OLED正极材料,得到了与含ITO电极OLED相似的性能,显示了金属电极替代ITO的可行性。Sam等[38]将六边形金网格用作OLED电极材料,网格线宽3μm,间隔为10μm,得到的OLED的开启电压较ITO型OLED更低, 且发光均匀,显示了金属网格透明电极在OLED上应用的可观前景。金属网格透明电极存在非导电孔洞,当孔洞直径较大时,金属网格无法独立应用到OLED器件中,同时较大的表面粗糙度也影响器件的生产和性能。采用纳米压印技术制备纳米尺度的金属网格可以减小孔洞和表面粗糙度的尺度,但是该方法生产成本高、产量低,因此,如何低沉本、大规模制备出小尺度的金属网格透明电极仍将是一个值得研究的课题。

4结语

ZnO透明导电薄膜 篇8

石墨烯是一种由碳原子按照六边形有序排列的二维晶体, 是世界上已知的最薄且强度最高的纳米材料。石墨烯具有良好的导电性、透明性、柔韧性、机械强度以及独特的电子特性, 在电子、通讯、能源、医疗等众多领域有着诱人的应用前景, 被称为材料领域的神童。

2012年1月, 常州二维碳素科技有限公司研制成功全球首款手机用石墨烯电容触摸屏。这项成果突破了石墨烯产品从实验室走向市场的瓶颈, 在石墨烯材料应用研发和产业化上具有重要意义。因“在二维石墨烯材料的开创性试验”获得2010年诺贝尔物理学奖的诺夫索洛夫博士曾预言, 2015年石墨烯可应用于电容触摸屏, 中国将这一时间点整整提前了3年。

该公司的石墨烯薄膜通过化学气相沉积 (CVD) 方法制备, 可以满足规模化制备高质量石墨烯的要求。据介绍, 现有手机触摸屏中常用的氧化铟锡 (ITO) 材料有强度性且造价很高, 预计20年后开采完毕, 石墨烯是最佳的替代品, 且成本大大降低。二维碳素团队此次上上线的生产线, 将可供应500万部4英寸手机。