透明導(dǎo)電薄膜的光電特性,你知多少?
光學(xué)薄膜前沿又添新成員了,在透明導(dǎo)電薄膜方向,我們的光膜幻影加入了我們的大家庭,光膜幻影,安徽合肥工業(yè)大學(xué)的研究生,研究方向:導(dǎo)電薄膜,目前光學(xué)薄膜前沿團(tuán)隊(duì)的4大骨干有來自吉林大學(xué)光學(xué)系的月莫,畢業(yè)于長(zhǎng)春理工的小凱,畢業(yè)于上海光機(jī)所的小龍,遼寧大學(xué)新聞系畢業(yè)的付冠杰,為我們的新媒體注入生命新鮮,注入力量,只為更專業(yè)的傳播和科普光學(xué)薄膜材料的知識(shí),技術(shù)成功孵化,為中國(guó)的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合做出自己一點(diǎn)點(diǎn)的努力。
當(dāng)下,在液晶顯示器、觸摸屏、太陽(yáng)能電池、氣體傳感器、建筑用玻璃幕墻、飛機(jī)和汽車窗導(dǎo)熱玻璃等產(chǎn)品中,透明導(dǎo)電薄膜材料得到了廣泛應(yīng)用;它作為一種新型的光電薄膜,正好能把光學(xué)透明性能和導(dǎo)電性能上乘的結(jié)合在一起,未來在科學(xué)研究和產(chǎn)品應(yīng)用方面將會(huì)越來越突出其重要地位!
然而,對(duì)于這種新型透明導(dǎo)電薄膜的光電特性,你又知道多少?本文就從專業(yè)角度,對(duì)透明導(dǎo)電金屬薄膜和透明導(dǎo)電氧化物薄膜的光電特性普及一些基礎(chǔ)性知識(shí)!
按照材料組成不同,透明導(dǎo)電薄膜可分為四大類別:
透明導(dǎo)電金屬薄膜、透明導(dǎo)電氧化物薄膜、非氧化物透明導(dǎo)電化合物薄膜和導(dǎo)電性顆粒分散介質(zhì)體。
1、透明導(dǎo)電金屬薄膜
金屬薄膜的薄厚決定了其光電性能的優(yōu)良,但受現(xiàn)有工藝水平所限,其應(yīng)用范圍較為局限!
以金、銀、銅、鉑等金屬為例,這些金屬的自由載流子的濃度約為1020個(gè)/cm3,可使它們的等離子頻率落在近紫外光區(qū),使得其在可見光區(qū)是不透明的。同時(shí),金屬薄膜在可見光和紅外波段都具有良好的反射性。如果想要得到在可見光波段透明的金屬薄膜,同時(shí)保持其在紅外波段的高反射特性,就需要將金屬薄膜的厚度制備得極薄。
根據(jù)能量守恒定律,反射率、吸收率和透射率三者之和等于1,要提高薄膜的透射率就必須降低其反射率或吸收率。許多實(shí)驗(yàn)證明,當(dāng)金屬薄膜厚度小于20nm時(shí),對(duì)光的反射和吸收都會(huì)減小,此時(shí)的金屬薄膜對(duì)可見光具有較好的透光性,如圖1為鋁薄膜在3nm、10nm和15nm在可見光近紅外波段的透射率曲線。為了達(dá)到產(chǎn)品對(duì)透過率的高要求,導(dǎo)電透明金屬薄膜的厚度必須控制在3~15nm之間。然而,實(shí)際制備厚度小于10nm的金屬薄膜,極易形成島狀結(jié)構(gòu),沒法連成一片,使薄膜電阻率明顯提高,并且高低起伏的島狀結(jié)構(gòu)會(huì)引起入射光的散射,從而影響薄膜的透射率。
圖1不同厚度的鋁薄膜的透過率
圖2極薄金屬薄膜的島狀結(jié)構(gòu)圖
目前,可以采用等離子輔助等技術(shù)來減少島狀結(jié)構(gòu)的形成,但是,極薄的金屬薄膜的電阻率仍然受表面效應(yīng)和雜質(zhì)的影響。同時(shí),大部分金屬薄膜與透明的玻璃基底之間的附著力都較差。因此,雖然從理論上金屬薄膜可以成為良好的透明導(dǎo)電薄膜,但是要制備出極薄的金屬薄膜依然受限于現(xiàn)有的工藝水平,導(dǎo)致其應(yīng)用范圍有限。
2、透明導(dǎo)電氧化物薄膜
日常許多光電產(chǎn)品中,如液晶顯示器、觸摸屏和太陽(yáng)能薄膜等,對(duì)透明度和導(dǎo)電性的要求都較高。由于優(yōu)良的光電特性和成熟的制備工藝,透明導(dǎo)電氧化物薄膜在光電子應(yīng)用中占據(jù)著主導(dǎo)地位,具有廣泛和重要的應(yīng)用前景。
透明導(dǎo)電氧化物薄膜材料是半導(dǎo)體中重要的一種,這里我們以氧化銦錫(ITO)透明導(dǎo)電薄膜為典型例子,簡(jiǎn)要介紹其光電特性和制備工藝。
ITO具有優(yōu)異的光學(xué)性能,在波長(zhǎng)550nm處,對(duì)可見光的透射率可高達(dá)85%以上,紅外反射率大于81%,紫外吸收率大于85%;而且具有低的電阻率,其電阻率一般在10-5~10-3Ω·cm之間,能隙寬度為Eg=3.5~4.3 eV;同時(shí)還具有高的硬度及耐磨性,且容易刻蝕成一定形狀的電極圖形等。
如圖3和圖4為ITO薄膜在液晶顯示器及電阻式觸摸屏中的應(yīng)用。
ITO薄膜的制備技術(shù)主要有真空熱蒸發(fā)、磁控濺射、化學(xué)氣相沉積、溶膠-凝膠及噴涂熱分解法等技術(shù),其中噴涂熱分解法和溶膠-凝膠法,工藝簡(jiǎn)單和成本低廉,并適用于大面積的工業(yè)生產(chǎn)。在制備ITO薄膜過程中,沉積溫度和氧分壓對(duì)ITO薄膜電學(xué)和光學(xué)特性有較大影響。在沉積溫度方面,雖然薄膜導(dǎo)電性能隨沉積溫度升高而得到改善,但是升高不是無限的,而是存在一個(gè)臨街值,超過這個(gè)臨界值,導(dǎo)電性能會(huì)隨溫度升高而下降;另外,薄膜透射率會(huì)隨基底溫度升高而相應(yīng)提高,基底溫度要求在350以上。在氧分壓方面,一般說高電導(dǎo)率對(duì)于氧分壓的范圍較小,但是氧分壓太小會(huì)影響薄膜的透過率,因此制備透明導(dǎo)電的ITO薄膜也存在一個(gè)臨界氧分壓。當(dāng)然,制備ITO薄膜應(yīng)該把所有可能影響ITO薄膜性能的參數(shù)考慮進(jìn)去,并進(jìn)行合理的優(yōu)化,才能制備處高質(zhì)量、滿足使用要求的ITO薄膜。
總之,不管是透明導(dǎo)電金屬薄膜還是透明導(dǎo)電氧化物薄膜,其主要難點(diǎn)在于把握好透過率和導(dǎo)電性的平衡。目前,ITO等氧化物薄膜的柔韌性和導(dǎo)電性不足等問題,不適合制作柔性顯示器和大面積觸摸屏。隨著制備工藝的迅猛發(fā)展,新型的透明導(dǎo)電薄膜材料不斷涌現(xiàn),如石墨烯薄膜、金屬網(wǎng)格、納米銀線、碳納米管等技術(shù),都有望成為ITO薄膜的替代品。透明導(dǎo)電薄膜產(chǎn)業(yè)的前景廣闊,值得我們持續(xù)關(guān)注。
上海卷柔新技術(shù)光電有限公司是一家專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)光學(xué)儀器及其零配件?的高科技企業(yè),公司成立2005年,專業(yè)的光電鍍膜公司,公司產(chǎn)品主要涉及光學(xué)儀器及其零配件的研發(fā)和加工;光學(xué)透鏡、反射鏡、棱鏡等光學(xué)鍍膜產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn),為全球客戶提供上等的產(chǎn)品和服務(wù)。
采用德國(guó)薄膜制備工藝,形成了一套具有嚴(yán)格工藝標(biāo)準(zhǔn)的閉環(huán)式流程技術(shù)制備體系,能夠制備各種超高性能光學(xué)薄膜,包括紅外薄膜、增透膜,ARcoating, 激光薄膜、特種薄膜、紫外薄膜、x射線薄膜,應(yīng)用領(lǐng)域涉及激光切割、激光焊接、激光美容、醫(yī)用激光器、紅外制導(dǎo)、面部識(shí)別、VR/AR應(yīng)用,博物館,低反射櫥窗玻璃,畫框等。