CN102677012A - 多层透明导电薄膜的制备方法 - Google Patents

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一种多层透明导电薄膜的制备方法，所述的多层透明导电薄膜的结构包括衬底，在该衬底上依次是ZnS-SiO2层、Ag层和ZnS-SiO2层，制备方法包括如下：磁控溅射方法在玻璃衬底或有机柔性衬底上依次溅射沉积ZnS-SiO2、Ag、ZnS-SiO2。其中ZnS-SiO2靶材中SiO2含量摩尔百分比不高于20%。溅射过程中衬底温度为室温，各膜层厚度为ZnS-SiO2：30～45nm，Ag：5～18nm。沉积薄膜样品在80～300℃下退火处理，保温时间为0.5-1小时，本发明可获得平均透过率80%以上，表面电阻15Ω/sq以下，具有高度环境稳定性透明导电薄膜。

Description

多层透明导电薄膜的制备方法
技术领域
本发明属于光电功能材料制备领域，具体涉及一种多层透明导电薄膜及其制备方法
背景技术
透明导电薄膜集透明性与导电性于一身，不仅具有良好的导电性，在可见光范围内也具有良好的透过性。由于它独有的光电特性，引起研究者极大的关注，成为当今的研究热点。可以应用于平板显示器，触摸屏，气体传感器，发光二极管（LED）以及太阳能电池等。目前ITO薄膜是最常用的透明导电薄膜，但是铟在制备过程中有毒，且为稀有元素，价格昂贵，稳定性较差，在一些特定应用领域要求透明导电薄膜具有良好的环境稳定性，以确保器件能够正常稳定工作，因此人们一直试图寻找一种廉价，无毒，稳定的替代材料。多层透明导电薄膜的结构一般为介电层/金属层/介电层（D/M/D），这种结构在具有良好的导电性的同时，还可以通过调整各个膜层厚度实现对透过光谱的控制，因此引起了人们极大的关注。ZnS作为一种宽禁带半导体，具有原料廉价，无毒等特点，适合作为D/M/D结构中的介电层。ZnS中掺入少量SiO2可以提高热稳定性和化学稳定性，被用作光盘制备中的保护层材料，同时它在可见光范围内有良好的透明性。
发明内容
本发明的目的是提供一种多层透明导电薄膜及其制备方法，以获得平均透过率80%以上，表面电阻15Ω/sq以下，具有高度环境稳定性透明导电薄膜。
本发明的技术解决方案如下：
一种多层透明导电薄膜的制备方法，所述的多层透明导电薄膜的结构包括衬底，在该衬底上依次是ZnS-SiO2层、Ag层和ZnS-SiO2层，其特点在于制备过程如下：
a、磁控溅射靶材为高纯ZnS-SiO2和Ag靶材，其中ZnS-SiO2靶材中SiO2的摩尔百分含量不高于20%；
b、将基板，在丙酮、乙醇、去离子水中依次超声清洗，之后用高纯氮气吹干，获得衬底；
c、将衬底放于磁控溅射反应室，反应室真空至少抽到3.8×10-4Pa，通入高纯氩气作为工作气体，压强为0.5～5pa；
d、射频溅射沉积ZnS-SiO2膜层，溅射功率为80～100w，通过调整溅射时间控制膜层厚度，控制ZnS-SiO2膜层厚度：30～45nm；
e、直流溅射沉积Ag膜层，溅射功率为30～50w，通过调整溅射时间控制膜层厚度，控制Ag膜层厚度为：5～18nm。
f、再次射频溅射沉积ZnS-SiO2膜层，溅射功率为80～100w，控制ZnS-SiO2膜层厚度：30～45nm。
所述的衬底为K9玻璃或有机柔性衬底。
为了进一步提高所制得透明导电薄膜的光电性能，玻璃衬底上制备得到的薄膜样品在真空或大气环境下进行退火处理，退火温度：80～300℃；保温时间0.5~1小时。
本方法制备的透明导电薄膜具备的优点有：
（1）通过调整多层膜中各膜层结构，可以实现透射光谱的控制；
（2）采用磁控溅射方法制备薄膜，制备工艺简单，工艺参数可控，重复性好；
（3）中间金属层同时提高了透明导电薄膜的电学性能和机械性能，与相同品质因子的ITO透明导电薄膜相比厚度要小，节省物料；
（4）选用ZnS-SiO2作为介电层，具有良好的热稳定性和化学稳定性，适合在恶劣条件下工作。
（5）对制备得到的样品进行退火处理，可以改善各膜层的微观结构，进一步的提高透明导电薄膜的光学、电学性能，制备出较为理想的透明导电薄膜。
本发明可获得平均透过率80%以上，表面电阻15Ω/sq以下，具有高度环境稳定性透明导电薄膜。
附图说明
图1是本发明多层透明导电薄膜结构示意图：其中1为衬底，2为介电层ZnS-SiO2层，3为金属层Ag层。
图2相同Ag层厚度（11nm），不同ZnS-SiO2厚度下，薄膜样品表面电阻随ZnS-SiO2厚度变化曲线。
图3是相同ZnS-SiO2厚度（45nm），不同Ag层厚度下，薄膜样品的表面电阻随Ag层厚度变化曲线。
图4是玻璃衬底上沉积ZnS-SiO2(45nm)/Ag(11nm)/ZnS-SiO2(45nm)的多层薄膜样品在1.0×10-3Pa真空环境下不同退火后，薄膜样品的表面电阻随温度变化曲线。
图5是玻璃衬底上沉积的ZnS-SiO2(45nm)/Ag(11nm)/ZnS-SiO2(45nm)多层薄膜样品在1.0×10-3Pa真空环境下不同退火后，薄膜样品的透过率随温度变化曲线。
具体实施方式
下面结合实例和附图对发明进一步说明：
本发明的多层透明导电薄膜是由衬底1、介电层（ZnS-SiO2）2、金属层（Ag）3、介电层（ZnS-SiO2）3组成，如图1。
实施例1：ZnS-SiO2/Ag/ZnS-SiO2的制备
一种多层透明导电薄膜的制备方法，所述的多层透明导电薄膜的结构包括衬底1、在该K9玻璃基板上的衬底1上依次是ZnS-SiO2层2、Ag层3和ZnS-SiO2层2，制备过程如下：
a、磁控溅射靶材为高纯ZnS-SiO2和Ag靶材，其中ZnS-SiO2靶材中SiO2的摩尔百分含量不高于20%；
b、将基板，在丙酮、乙醇、去离子水中依次超声清洗，之后用高纯氮气吹干，获得衬底1；
c、将衬底放于磁控溅射反应室，反应室真空至少抽到3.8×10-4Pa，通入高纯氩气作为工作气体，压强为0.5～5pa；
d、射频溅射沉积ZnS-SiO2膜层，溅射功率为80～100w，通过调整溅射时间控制膜层厚度，控制ZnS-SiO2膜层厚度：30～45nm；
e、直流溅射沉积Ag膜层，溅射功率为30～50w，通过调整溅射时间控制膜层厚度，控制Ag膜层厚度为：5～18nm。
f、再次射频溅射沉积ZnS-SiO2膜层，溅射功率为80～100w，控制ZnS-SiO2膜层厚度：30～45nm。
本实施例中，将高纯Ag靶和ZnS-SiO2靶放入磁控溅射反应室，其纯度不低于99.9%，ZnS-SiO2靶材中SiO2含量为20mol%，反应室真空抽到3.8×10-4Pa，工作气压为高纯氩气。制备过程中保持工作气压稳定在0.85pa。在基板上室温沉积三明治结构ZnS-SiO2/Ag/ZnS-SiO2薄膜。射频溅射沉积ZnS-SiO2膜层，溅射功率为80～100w，通过控制溅射时间控制ZnS-SiO2膜层厚度。
待ZnS-SiO2膜层溅射完毕后，直流溅射Ag膜层，溅射功率为30～50w，通过控制溅射时间控制Ag膜层厚度。待金属Ag层溅射完毕后，继续溅射ZnS-SiO2膜层，溅射功率为80～100w，通过控制溅射时间控制ZnS-SiO2膜层厚度。
实施例2
如实施例1中所述在K9玻璃基板上制备ZnS-SiO2/Ag/ZnS-SiO2多层膜，各膜层厚度依次为40nm、18nm、40nm，所得到的样品的表面电阻3.6Ω/sq,为样品在550nm处透过率为70%。
实施例3
如实施例1中所述在K9玻璃基板上制备ZnS-SiO2/Ag/ZnS-SiO2多层膜，其中Ag膜层厚度为11nm保持不变，ZnS-SiO2膜层厚度依次为30nm、40nm、45nm，所得到的样品表面电阻如附图2所示，样品在550nm处透过率依次为85.6%、87.1%、87.6%。
实施例4
如实施例1中所述制备ZnS-SiO2/Ag/ZnS-SiO2多层膜，制备条件保持不变，其中ZnS-SiO2膜层厚度为45nm保持不变，Ag膜层厚度依次为5nm，11nm，12nm，18nm所得到的样品表面电阻如附图3所示，样品在550nm处透过率依次为83.5%、87.6%、87.3%、70.1%。
实施例5
如实施例1中所述制备ZnS-SiO2/Ag/ZnS-SiO2多层膜，制得的样品放入管式炉中进行退火处理，管式炉管抽真空至1.0×10-3Pa，退火温度依次为80、100、200、300℃，保温时间为1小时，所得样品表面电阻如附图4所示，样品在可见光范围内透过率如附图5所示。
以上可以看出，当ZnS-SiO2/Ag/ZnS-SiO2多层膜中ZnS-SiO2厚度为45nm，Ag膜厚度为11nm，退火温度为200℃，所得样品的光电性能最佳。
实施例6
如实施例1中所述制备ZnS-SiO2/Ag/ZnS-SiO2多层膜，其中ZnS-SiO2膜层厚度为45nm，Ag膜层厚度为11nm，样品在200℃保温0.5h，得到的样品表面电阻为10.2Ω/sq，样品在550nm处透过率为88.3%
实施例7
如实施例1中所述制备ZnS-SiO2/Ag/ZnS-SiO2多层膜，其中ZnS-SiO2膜层厚度为45nm，Ag膜层厚度为11nm，制得的样品放入高温高湿环境中老化，老化温度为80℃，老化湿度为85%RH，老化时间为100小时。老化后样品的电阻率为10.0Ω/sq,样品在550nm处透过率为87.4%。

Claims (3)

1.一种多层透明导电薄膜的制备方法，所述的多层透明导电薄膜的结构包括衬底（1）、在该衬底（1）上依次是ZnS-SiO2层（2）、Ag层（3）和ZnS-SiO2层（2），其特征在于制备过程如下：
a．磁控溅射靶材为高纯ZnS-SiO2和Ag靶材，其中ZnS-SiO2靶材中SiO2的摩尔百分含量不高于20%；
b．将基板，在丙酮、乙醇、去离子水中依次超声清洗，之后用高纯氮气吹干，获得衬底（1）；
c．将衬底放于磁控溅射反应室，反应室真空至少抽到3.8×10-4Pa，通入高纯氩气作为工作气体，压强为0.5～5pa；
d．射频溅射沉积ZnS-SiO2膜层，溅射功率为80～100w，通过调整溅射时间控制膜层厚度，控制ZnS-SiO2膜层厚度：30～45nm；
e．直流溅射沉积Ag膜层，溅射功率为30～50w，通过调整溅射时间控制膜层厚度，控制Ag膜层厚度为：5～18nm。
f．再次射频溅射沉积ZnS-SiO2膜层，溅射功率为80～100w，控制ZnS-SiO2膜层厚度：30～45nm。
2.如权利1所述的多层透明导电薄膜的制备方法，其特征在于进一步对制得的多层膜在真空或大气环境条件下进行退火，退火时间为0.5~1小时，退火温度为80~300°C。
3.如权利1所述的多层透明导电薄膜的制备方法，其特征在于所述的衬底（1）为K9玻璃或有机柔性衬底。
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