CN102051578B - 一种透明导电金属薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种透明导电金属薄膜及其制备方法,通过磁控溅射方法,该薄膜的材料为非晶态的金属铜,该透明导电金属薄膜厚度为7~30nm,电阻率为10-5~10-4Ωcm。当透明导电金属薄膜优选为7~12nm时,透光率高达78~85%。该透明导电金属薄膜具有双层结构,最外层是氧吸附层,厚度稳定在3~5nm,氧吸附层的厚度不随透明导电金属薄膜整体厚度的增加而增加,使得透明导电金属薄膜在可见光范围内,反射率降低,透光率增大。
Description
技术领域
本发明属于透明导电膜光电技术领域,具体涉及一种透明导电金属薄膜及其制备方法。
背景技术
在近几年,透明导电薄膜的制备得到了极大的发展,称为半导体技术领域的研究热点之一。透明导电薄膜是一类禁带宽度在3.0eV左右的宽禁带半导体,经过元素掺杂使得电阻率处在10-4~10-3Ωcm的材料,这类材料对可见光的透光率在85%左右,使得它们可以作为硅太阳能电池的上电极;还可以用于液晶显示,电致发光领域中作为透明电极(详见参考文献1:O.Nakagawa,Y.Kishimoto,H.Seto,Y.Koshido,Y.Yoshino,and T.Makino,Appl.Phys.Lett.89,091904(2006)中)。当前Sn掺杂的In2O3膜(简称为ITO)已经实现商业化生产,但是由于In资源的稀缺,使得In2O3膜的价格不断上涨。目前的研究多致力于寻找性能与ITO接近的其他较为廉价的材料,如:SnO2,ZnO,CdO,TiO2,CdIn2O4,CdSnO4等体系。但是需要在较高的基片温度下,或者厚度较大时,才能达到这样的性能。因此,室温条件下制备低电阻率和高透光率的薄膜,依然是当前的研究目标。同时,对于掺杂半导体,过高的载流子浓度,将使得电子之间的散射增强,同时会降低材料中电子的迁移率,如参考文献2:H.Han,N.D.Theodore and T.L.Alford,J.Appl.Phys.103,013708(2008)中记载。为此一部分人开始以半导体薄膜中间插入金属层(Ag,Cu,Pt)的方式,在不牺牲透光率的基础上,降低材料的电阻率。参考文献2和参考文献3:C.Guillén and J.Herrero,Sol.Energy Mater.Sol.Cells 92,938(2008)和参考文献中可知薄膜在可见光范围内仅具有60%左右的透光率。
发明内容
针对现有透明导电薄膜的制备的困难与性能的不足,本发明提出一种透明导电金属薄膜及其制备方法,通过磁控溅射方法,制备出厚度在纳米量级的Cu薄膜,然后在空气中静置氧化,获得了电阻率在5.2×10-5~3.5×10-4Ωcm,透光率在32~85%的薄膜。
本发明提出一种透明导电金属薄膜,该薄膜的材料为非晶态的金属铜,该透明导电金属薄膜厚度为7~30nm,电阻率为5.2×10-5~3.5×10-4Ωcm,透光率为32%~85%,当该透明导电金属薄膜厚度优选为7~12nm时,其透光率高达78~85%。所述的透明导电金属薄膜具有双层结构,内层为纯金属Cu层,外层是氧吸附层,厚度稳定在3~5nm,氧吸附层的厚度不随透明导电金属薄膜整体厚度的增加而增加。
本发明还提出一种透明导电金属薄膜的制备方法,具体包括以下几个步骤:
步骤一:准备基片,将基片先使用丙酮超声清洗10min以上,吹干,再用乙醇溶液(分析醇)超声清洗10min以上,吹干。所述的丙酮超声清洗和乙醇溶液超声清洗各洗一遍以上。
所述的基片为7095玻璃基片、石英基片或NaCl单晶基片,基片的厚度为0.5~2mm。
步骤二:将基片固定在磁控溅射仪的样品台上,然后将样品台放入磁控溅射仪的真空室。
步骤三:将Cu靶(纯度大于等于99.99%)放入真空室,固定在靶位上。
步骤四:将磁控溅射仪的真空室抽真空,当真空室的真空度达到预定值4.0~5.0×10-4Pa后,向真空室中充入高纯Ar气,待真空室内气体压力稳定在1.0~3.5Pa,打开射频电源加电压300~500V,开始沉积。
步骤五:控制沉积时间达到28~120s后,停止沉积,制备出透明导电金属薄膜。
步骤六:将制备出的透明导电金属薄膜在空气中静置3~20h,温度稳定在10~30℃,完成氧化处理。
本发明的优点在于:
1、本发明提出一种透明导电金属薄膜,该薄膜具有特殊的表层结构即氧吸附层,厚度为3~5nm。使表面反射率远远地低于普通金属Cu(95%),反射率约在13~32%。
2、本发明提出一种透明导电金属薄膜,该薄膜的透光率较高,当薄膜厚度在7~12nm时,透光率高达78~85%。
3、本发明提出一种透明导电金属薄膜,该薄膜的电阻率低,仅为5.2×10-5~3.5×10-4Ωcm。
4、本发明提出一种透明导电金属薄膜,制备工艺简单,易于实现工业生产。
附图说明
图1:本发明提出的一种透明导电金属薄膜的厚度、透光率和光波波长的关系曲线图;
图2:本发明提出的一种透明导电金属薄膜的电阻率、迁移率和载流子浓度随薄膜厚度的变化曲线;
图3:本发明提出的一种透明导电金属薄膜的厚度为7nm和12nm时薄膜成分随表层深度的变化图;
图4:本发明提出的一种透明导电金属薄膜的厚度、反射率和光波波长的关系曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施实例对本发明做进一步的详细说明。
本发明提出一种透明导电金属薄膜,该薄膜的材料为非晶态的金属铜,该透明导电金属薄膜厚度为7~30nm,优选为7~12nm,电阻率为5.2×10-5~3.5×10-4Ωcm,透光率为32%~85%,具有双层结构,内层为纯金属Cu层,外层是氧吸附层,厚度稳定在3~5nm,氧吸附层的厚度不随透明导电金属薄膜整体厚度的增加而增加。
本发明还提出一种透明导电金属薄膜的制备方法,通过磁控溅射方法制备,具体包括以下几个步骤:
步骤一:准备基片,将基片先使用丙酮超声清洗10min以上,吹干,再用乙醇溶液(分析醇)超声清洗10min以上,吹干。所述的丙酮超声清洗和乙醇溶液超声清洗各洗一遍以上
所述的基片为7095玻璃基片、石英基片或NaCl单晶基片,基片的厚度为0.5~2mm。
步骤二:将基片固定在磁控溅射的样品台上,放入磁控溅射仪的真空室。
步骤三:将Cu靶(纯度大于等于99.99%)放入真空室,固定在靶位上。
步骤四:将磁控溅射仪抽真空,当真空室的真空度达到预定值4.0~5.0×10-4Pa后,向真空室中充入高纯Ar气,待真空室内气体压力稳定在1.0~3.5Pa,打开射频电源加电压300~500V,开始沉积。
步骤五:控制沉积时间达到28~120s后,停止沉积,制备出透明导电金属薄膜。
步骤六:将制备出的透明导电金属薄膜在空气中静置3~20h,温度稳定在10~30℃,完成氧化处理。
制备得到的透明导电金属薄膜进行透光率测试,如图1和图2所示,当光波波长为560nn时,该透明导电金属薄膜的厚度为7~30nm,透光率高达32~85%,反射率为13~32%。将制备得到的透明导电金属薄膜进行电阻率测试,如图2,发现该透明导电金属薄膜的薄膜电阻率为5.2×10-5~3.5×10-4Ωcm。
实施例1:制备厚度为7nm的Cu透明导电薄膜。
步骤一:准备7095玻璃基片,先使用丙酮超声清洗10min后,吹干,再用乙醇溶液(分析醇)超声清洗10min,吹干。
步骤二:将基片固定在磁控溅射的样品台上,放入磁控溅射仪的真空室。
步骤三:将Cu靶(纯度99.99%)放入真空室,固定在靶位上。
步骤四:将磁控溅射仪抽真空,当真空室的真空度达到预定值5.0×10-4Pa后,向真空室中充入高纯Ar气,待真空室内气体压力稳定在3.5Pa,打开射频电源加电压300V,开始沉积。
步骤五:控制沉积时间达到28s后,停止沉积,制备出厚度为7nm的透明导电金属薄膜。
步骤六:将制备出的透明导电金属薄膜在空气中静置3h,温度稳定在10℃,完成氧化处理。
将制备得到的透明导电金属薄膜进行透光率测试,当光波波长为560nm时,该透明导电金属薄膜的透光率高达85%,如图1。同时利用AES进行了薄膜厚度方向的成分分析,可以看到在薄膜表面向内的0~3nm的范围内有吸附氧存在,吸附氧层的厚度为3nm,见附图3。
将制备得到的透明导电金属薄膜进行电阻率测试,如图2,发现该透明导电金属薄膜的薄膜电阻率为3.5×10-4Ωcm,迁移率为9.3cm2/Vs,载流子浓度为1.9×1021cm-3,如此高的载流子浓度说明该透明导电金属薄膜是金属态的。
实施例2:制备厚度为12nm的Cu透明导电薄膜。
步骤一:将石英基片先使用丙酮超声清洗10min后吹干,再用丙酮超声清洗10min,吹干;再用乙醇溶液(分析醇)超声清洗10min后吹干,再用乙醇溶液(分析醇)超声清洗10min后吹干。
步骤二:将清洗后的基片固定在磁控溅射的样品台上,放入磁控溅射仪的真空室。
步骤三:将Cu靶(纯度大于等于99.99%)放入真空室,固定在靶位上。
步骤四:将磁控溅射仪抽真空,当真空室的真空度达到预定值4.0×10-4Pa后,向真空室中充入高纯Ar气,待真空室内气体压力稳定在1.0Pa,打开射频电源加电压500V,开始沉积。
步骤五:控制沉积时间达到40s后,停止沉积,制备出厚度为12nm的透明导电金属薄膜。
步骤六:将制备出的透明导电金属薄膜在空气中静置15h,温度稳定在15℃,完成氧化处理。
将制备得到的透明导电金属薄膜进行透光率测试,当光波波长为560nm时,该透明导电金属薄膜的透光率高达78%,如图1。同时利用AES进行了薄膜厚度方向的成分分析,可以看到在薄膜表面向内的0~3nm的范围内有吸附氧存在,深度超过3nm时氧含量极低可以忽略不计。吸附氧层的厚度为3nm,如图3。
将制备得到的透明导电金属薄膜进行电阻率测试,如图2,发现该透明导电金属薄膜的薄膜电阻率为6.7×10-5Ωcm,迁移率为1.44cm2/Vs,载流子浓度为6.6×1022cm-3,如此高的载流子浓度说明该透明导电金属薄膜是金属态的。
实施例3:制备厚度为15nm的Cu透明导电薄膜。
步骤一:将石英基片先使用丙酮超声清洗10min后吹干,再用丙酮超声清洗10min,吹干;再用乙醇溶液(分析醇)超声清洗10min后吹干,再用乙醇溶液(分析醇)超声清洗10min后吹干。
步骤二:将清洗后的基片固定在磁控溅射的样品台上,放入磁控溅射仪的真空室。
步骤三:将Cu靶(纯度等于99.99%)放入真空室,固定在靶位上。
步骤四:将磁控溅射仪抽真空,当真空室的真空度达到预定值4.0×10-4Pa后,向真空室中充入高纯Ar气,待真空室内气体压力稳定在3.0Pa,打开射频电源加电压420V,开始沉积。
步骤五:控制沉积时间为57s,制备出厚度为15nm透明导电金属薄膜。
步骤六:将制备出的透明导电金属薄膜在空气中静置15h,温度稳定在20℃,完成氧化处理。
将制备得到的透明导电金属薄膜进行透光率测试,当光波波长为560nm时,发现该透明导电金属薄膜的透光率高达68%,如图1。同时利用AES进行了薄膜厚度方向的成分分析,可以看到在薄膜表面向内的0~5nm的范围内,有吸附氧存在,吸附氧层厚度为5nm。
将制备得到的透明导电金属薄膜进行电阻率测试,如图2,发现该透明导电金属薄膜的薄膜电阻率为6.1×10-5Ωcm,迁移率为1.7cm2/Vs,载流子浓度为6.2×1022cm-3。
实施例4:制备厚度为30nm的Cu透明导电薄膜。
步骤一:将石英基片先使用丙酮超声清洗20min后吹干,再用丙酮超声清洗20min,吹干;再用乙醇溶液(分析醇)超声清洗20min后吹干,再用乙醇溶液(分析醇)超声清洗20min后吹干。
步骤二:将清洗后的基片固定在磁控溅射的样品台上,放入磁控溅射仪的真空室。
步骤三:将Cu靶(纯度等于99.99%)放入真空室,固定在靶位上。
步骤四:将磁控溅射仪抽真空,当真空室的真空度达到预定值4.0×10-4Pa后,向真空室中充入高纯Ar气,待真空室内气体压力稳定在1.0Pa,打开射频电源加电压360V,开始沉积。
步骤五:控制沉积时间为120s后,停止沉积,制备出厚度为30nm透明导电金属薄膜。
步骤六:将制备出的透明导电金属薄膜在空气中静置20h,温度稳定在30℃,完成氧化处理。
将制备得到的透明导电金属薄膜进行透光率测试,当光波波长为560nm时,发现该透明导电金属薄膜的透光率高达32%,如图1。同时利用AES进行了薄膜厚度方向的成分分析,可以看到在薄膜表面0~3nm的范围内,有吸附氧存在,为吸附氧层,厚度为3nm。将制备得到的透明导电金属薄膜进行电阻率测试,如图2,发现该透明导电金属薄膜的薄膜电阻率为5.2×10-5Ωcm。
实施例5:制备厚度为9nm的Cu透明导电薄膜。
本实施例与实施例4的区别仅在于步骤五和步骤六,分别为:
步骤五:控制沉积时间为35s后,停止沉积,制备出厚度为9nm透明导电金属薄膜。
步骤六:将制备出的透明导电金属薄膜在空气中静置8h,温度稳定在12℃,完成氧化处理。
将制备得到的透明导电金属薄膜进行透光率测试,如图1,当光波波长为560nm时,发现该透明导电金属薄膜的透光率高达80%。
实施例6:制备厚度为20nm的Cu透明导电薄膜。
本实施例与实施例4的区别仅在于步骤五和步骤六,分别为:
步骤五:控制沉积时间为76s后,停止沉积,制备出厚度为20nm透明导电金属薄膜。
步骤六:将制备出的透明导电金属薄膜在空气中静置10h,温度稳定在28℃,完成氧化处理。
将制备得到的透明导电金属薄膜进行透光率测试,当光波波长为560nm时,发现该透明导电金属薄膜的透光率高达50%。将制备得到的透明导电金属薄膜进行电阻率测试,如图2,发现该透明导电金属薄膜的薄膜电阻率为5.8×10-5Ωcm。
实施例7:制备厚度为25nm的Cu透明导电薄膜。
本实施例与实施例4的区别仅在于步骤五和步骤六,分别为:
步骤五:控制沉积时间为95s后,停止沉积,制备出厚度为25nm透明导电金属薄膜。
步骤六:将制备出的透明导电金属薄膜在空气中静置18h,温度稳定在25℃,完成氧化处理。
将制备得到的透明导电金属薄膜进行透光率测试,当光波波长为560nm时,发现该透明导电金属薄膜的透光率高达42%。将制备得到的透明导电金属薄膜进行电阻率测试,如图2,发现该透明导电金属薄膜的薄膜电阻率为5.7×10-5Ωcm。
Claims (2)
1.一种透明导电金属薄膜,其特征在于:所述的透明导电金属薄膜的材料为非晶态的金属铜,厚度为7~12nm;所述的透明导电金属薄膜具有双层结构,外层是氧吸附层,厚度为3~5nm,内层为纯金属Cu层;所述的透明导电金属薄膜的电阻率为5.2×10-5~3.5×10-4Ωcm,当光波波长为560nm时,透光率为78~85%。
2.一种透明导电金属薄膜的制备方法,其特征在于:包括以下几个步骤:
步骤一:准备基片并清洗基片;所述的基片为7095玻璃基片、石英基片或NaCl单晶基片,基片的厚度为0.5~2mm;清洗基片具体为:将基片先使用丙酮超声清洗并吹干,再用乙醇溶液超声清洗并吹干;
步骤二:将基片固定在磁控溅射的样品台上,放入磁控溅射仪的真空室;
步骤三:将Cu靶放入真空室,固定在靶位上;
步骤四:将磁控溅射仪的真空室抽真空,当真空室的真空度达到预定值4.0~5.0×10-4Pa后,向真空室中充入高纯Ar气,待真空室内气体压力稳定在1.0~3.5Pa,打开射频电源加电压300~500V,开始沉积;
步骤五:控制沉积时间达到28~120s后,停止沉积,制备出非晶态的透明导电金属薄膜;
步骤六:将制备出的透明导电金属薄膜在空气中静置3~20h,温度稳定在10~30℃,在纯金属Cu层的表面得到氧吸附层。
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GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20120704 Termination date: 20130120 |
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