CN103177800B - 一种高透过率透明导电薄膜及其制备方法 - Google Patents

一种高透过率透明导电薄膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高透过率透明导电薄膜，其特征在于，所述透明导电薄膜的模系为二氧化锡/氧化锌/二氧化硅/基底材料/二氧化硅，或二氧化硅/二氧化锡/氧化锌/二氧化硅/基底材料/二氧化硅的多层膜结构，主体材料为金属二氧化锡与氧化锌和锡与锌，其中，锡与锌元素两者在二氧化锡/氧化锌复合层中的质量百分含量为75.9％～83.5％，锡与锌元素的质量比为45～51∶55～49，薄膜的厚度为5nm～250nm。本发明公开了一种高透过率透明导电薄膜的制备方法。本发明采用磁控溅射方法沉积的薄膜性能优异，具有良好的导电性和透光性，可广泛用于触摸屏液晶显示屏、电致发光显示、太阳能电池、晶体管等光电技术领域。

Description

一种高透过率透明导电薄膜及其制备方法
所属领域
本发明涉及一种导电薄膜及其制备方法，特别是涉及一种高透过率透明导电薄膜及其制备方法。
背景技术
对于透明导电薄膜，工业级广泛采用的是掺锡(Sn)的氧化铟(In2O3)薄膜(简称ITO)，是目前最为常用的透明电极材料。但是单纯的氧化锡薄膜的透过率较低。现有技术采用磁控溅射方法制备了ITO/SiO2/SiO2/衬底材料/SiO2/SiO2的膜系多层膜构成的的透明导电薄膜，其中ITO中，Sn与In元素在ITO中的质量百分含量为78.9％～85.4％，Sn与In元素的质量比为40～49∶60～51；所制备的薄膜的厚度为5nm～300nm，虽然该多层膜在可见光区的最高透过率达到98％、平均红外透过率超过80％，但是ITO中的铟价格昂贵，使得这种薄膜的制造成本较高，而且In2O3高温条件下性能不够稳定，上述两种因素限制了ITO以及含有ITO薄膜的透明电极的广泛应用。
现有技术采用在浮法玻璃基板上，依次制备一个二氧化硅过渡层、一个掺杂氟的SnO2透明导电玻璃(FTO)层和一个氧化锌层。二氧化硅和FTO是通过浮法玻璃在线常压化学气相淀积(APCVD)工艺来完成，溅射沉积设备连接在浮法玻璃生产线的降温段，将合适温度的玻璃基本直接送入进样室后开始溅射生长ZnO基的透明导电氧化物薄膜。这样的多层膜具有高的光透过率，同时又不使用湿法工艺，依赖APCVD制备FTO具有绒面结构的特性，直接生成具有绒面结构的氧化锌包覆FTO的透明导电双层膜。其中，FTO层沉积的温度为300℃～750℃、沉积的厚度为10～2000nm；ZnO的沉积时衬底温度为20℃～500℃之间，沉积的厚度为50～800nm。这种方法得到的多层透明导电薄膜都需要一定的高温加热过程。
发明内容
本发明的目的是克服上述不足之处提供了一种高透过率、导电性优异的，还特别适合各种触摸屏器件的新型柔性透明导电薄膜，提高了薄膜在可见光范围内的透过率并且较低了电阻率。本发明透明导电薄膜的主体材料是SnO2和ZnO。本发明的透明导电薄膜是在主体材料SnO2和ZnO中掺杂有部分金属Sn和Zn。
本发明提供一种高透过率透明导电薄膜，其特征在于，所述透明导电薄膜的模系为二氧化锡/氧化锌/二氧化硅/基底材料/二氧化硅，或二氧化硅/二氧化锡/氧化锌/二氧化硅/基底材料/二氧化硅的多层膜结构，主体材料为金属二氧化锡与氧化锌和锡与锌，其中，锡与锌元素两者在二氧化锡/氧化锌复合层中的质量百分含量为75.9％～83.5％，锡与锌元素的质量比为45～51∶55～49，薄膜的厚度为5nm～250nm。
所述透明导电薄膜中，锡与锌元素在二氧化锡/氧化锌复合层中的质量百分含量为78％～82％。
所述导电薄膜的厚度为20nm～100nm。
本发明提供一种高透过率透明导电薄膜的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将洁净的基底材料放入真空环境中，并抽真空至环境压强不低于4×10-4Pa；
(2)以氩气和氧气作为溅射气体，控制溅射时压强为0.2～0.8Pa；
(3)使用射频溅射的方法，在基底材料的正面和反面同时沉积一层二氧化硅，厚度为2～10nm；
(4)在二氧化硅层的表面采用直流溅射的方法溅射金属锡与锌，溅射功率为直流80～200W，金属锡/的溅射速率为0.15～0.8nm/s，锌的溅射速率为0.05～0.2nm/s，沉积完毕，得到二氧化锡/氧化锌复合层；
或者采用以二氧化锡与氧化锌的均匀混合材料烧结而成的块体作为靶材，溅射功率为直流80～200W，溅射速率为0.6～1.2nm/s。
步骤(4)所述的溅射沉积二氧化锡/氧化锌复合层完毕后，在二氧化锡/氧化锌复合层表面再溅射一层二氧化硅，厚度为5～15nm。
本发明的透明导电薄膜的性能测试主要包括：紫外可见近红外分光光度计测试薄膜的透射率，并用X射线光电子能谱仪测试成分、四探针测试仪测试电阻率。
本发明所述的高透过率透明导电薄膜可以沉积在普通的基底材料、柔性以及透明或者非透明基底材料上，如聚碳酸酯(PC)、塑料、有机玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)上。制备工艺可采用高真空直流磁控溅射、射频磁控溅射、脉冲激光沉积等沉积薄膜的技术，优选直流和射频磁控溅射获得所述的透明导电薄膜。本发明透明导电薄膜在制备过程中的基本技术要求是：沉积薄膜前的本底真空不低于5×10-4Pa；沉积薄膜时的工作气体为高纯度氧气和高纯度氩气，溅射时的压强为0.2～0.8Pa；基底材料在沉积薄膜时无需加热。
本发明具有以下优点：
1.与传统的ITO薄膜相比，SnO2和ZnO本身都有良好的光电半导体材料，而且主体材料Sn和Zn来源易得，成本较低。
2.与传统的单一结构的透明导电薄膜相比，本发明采用的多层膜结构具有较高的可见光透过率和良好的导电性及化学稳定性。
3.磁控溅射工艺所制备的薄膜与基底结构形成了良好的界面接触，使得透过率高，光电性能改善；另外，薄膜表面的均匀性±3％以内。
本发明采用磁控溅射方法沉积的薄膜性能优异，具有良好的导电性和透光性，可广泛用于触摸屏液晶显示屏、电致发光显示、太阳能电池、晶体管等光电技术领域。
具体实施方式
下面介绍实例对本发明进一步说明。
实施例1：
利用直流溅射和射频溅射的方法制备本发明的多层透明导电薄膜，三个样品A、B、C的具体制备步骤如下：
a)将洁净的基底材料放入镀膜机的真空室中，并抽真空至3.1×10-4Pa；
b)向真空室中通入高纯度氧气和高纯度氩气，并调节真空室内的压强为0.2～0.8Pa；
c)在基底材料的表面两侧分别镀一层氧化硅作为阻挡扩散层，厚度为2～18nm；
d)在氧化硅的表面利用直流溅射的方法同时沉积金属Sn和Zn，金属Sn溅射功率为80～200W，的溅射速率为0.15～0.8nm/s，金属Zn的溅射功率为30～70W，沉积速率为0.05～0.2nm/s，得到SnO2/ZnO层；
C样品在SnO2/ZnO层表面再溅射一层氧化硅，厚度为5nm。表1给出了透明导电薄膜A、B、C的具体实验数据和薄膜的性能参数。
实施例2：
步骤“a”，“b”，“c”，同实施例一。不同的是步骤“d”采用纯度均为99.999％的SnO2与ZnO的粉末均匀混合，采用常规的热等静压法烧结成靶材，沉积薄膜时的溅射功率为直流80～200W，溅射速率为0.6～1.2nm/s。
F样品在SnO2/ZnO层表面再溅射一层氧化硅，厚度为5nm。表2给出了三个样品D、E、F具体采用的实验工艺和薄膜的性能参数。
表1透明导电薄膜的实验数据及性能参数
表2透明导电薄膜的实验数据及性能参数

Claims (1)

1.一种高透过率透明导电薄膜的制备方法，所述透明导电薄膜的模系为二氧化硅/二氧化锡/氧化锌/二氧化硅/基底材料/二氧化硅的多层膜结构，主体材料为二氧化锡与氧化锌和锡与锌，其中，锡与锌元素两者在二氧化锡/氧化锌复合层中的质量百分含量为75.9%～83.5%，锡与锌元素的质量比为45～51：55～49，薄膜的厚度为5nm～250nm；其特征在于包括如下步骤：
（1）将洁净的基底材料放入真空环境中，并抽真空至环境压强不低于4×10-4Pa；
（2）以氩气和氧气作为溅射气体，控制溅射时压强为0.2～0.8Pa；
（3）使用射频溅射的方法，在基底材料的正面和反面同时沉积一层二氧化硅，厚度为2～10nm；
（4）在二氧化硅层的表面采用直流溅射的方法溅射金属锡与锌，溅射功率为直流80～200W，金属锡的溅射速率为0.15～0.8nm/s，锌的溅射速率为0.05～0.2nm/s，沉积完毕，得到二氧化锡/氧化锌复合层；
或者采用以二氧化锡与氧化锌的均匀混合材料烧结而成的块体作为靶材，溅射功率为直流80～200W，溅射速率为0.6～1.2nm/s；
步骤（4）所述的溅射沉积二氧化锡/氧化锌复合层完毕后，在二氧化锡/氧化锌复合层表面再溅射一层二氧化硅，厚度为5～15nm。
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