CN106571173A - 耐高温复合透明导电膜、制备方法和应用 - Google Patents

耐高温复合透明导电膜、制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐高温复合透明导电膜、制备方法和应用，属于电子功能材料技术领域。本发明中耐高温复合透明导电膜包括金属透明导电层和碳抗氧化保护层，其中金属透明导电层以银、铜、铝、镍中的一种或多种为镀膜材料，碳抗氧化保护层以石墨为溅射靶材，通过形成类碳烯sp2键构成类石墨烯薄膜，厚度不超过50nm。该复合透明导电膜的电学性能优异，电阻率低于4×10‑5Ω·cm，最优可达10‑6Ω·cm，且透光性好，可见光透过率达70％，适用于多种金属及包括柔性衬底在内的多种透明基底。采用该复合透明导电膜制备的电极稳定性高，适用于平板显示、太阳能电池、触摸屏等多个电子行业。

Description

耐高温复合透明导电膜、制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种耐高温复合透明导电膜，同时还涉及该复合透明导电膜的制备方法和应用，属于电子功能材料技术领域。
背景技术
透明导电薄膜是一种重要的电子功能信息材料，作为电子器件的电极，广泛应用于太阳能电池、平板显示、发光器件和传感器等领域，是电子行业必不可少的基本组成材料。近年来，半导体制造产业发展迅猛，新兴电子产品层出不穷。电子技术的多样化也要求透明导电电极材料拥有相匹配的性能及更高的稳定性以满足市场的需求。目前使用较多的电极材料是金属和透明导电氧化物(TCO)。透明导电氧化物中氧化铟锡(ITO)是已经商业化且技术成熟的材料之一，其电阻率达10-4Ω·cm，透光性能优异，占据太阳能电池和平板显示的大部分市场。然而在实际应用中，由于In资源匮乏，且In有毒性，受热易扩散，影响器件性能，同时ITO制备须后续退火，与柔性衬底不兼容，因此ITO已不能满足目前电子行业器件的需求。相较而言，金属电极作为最早的电极材料，其导电性能更优，对厚度要求低，只需透明导电氧化物厚度的10％以下即可达到相应的电学性能，且金属电极种类繁多，更易实现器件的功函数匹配，因而具有广阔的市场应用前景。但与此同时，部分金属薄膜也存在粘附性差、透光率低以及受热易氧化导致电阻升高的缺陷，使其进一步应用受到极大限制。
为解决上述问题，发展低成本、抗氧化、可用于柔性衬底的透明导电薄膜成为目前导电薄膜市场的主攻方向。公布号CN102568654A的发明专利公开了一种透明导电膜，包括透明基底层和附着在该基底层上的导电层，该导电层含有石墨烯和金属氧化物，其方块电阻为0.1～5000Ω/□，在可见光区的透光率为60％～95％。在该透明导电膜中，基底层为可见光区透光率90％～99％的玻璃、石英、聚乙烯醇膜、聚酰亚胺膜、聚酯膜、聚氯乙烯膜、聚碳酸酯膜、聚氨酯膜或聚丙烯酸酯膜；金属氧化物选自氧化铟、氧化锡、氧化锑、氧化锌、氧化镁、氧化铝、氧化钛、氧化铬；石墨烯与金属氧化物组成分散液涂覆在透明基底层上，或者二者单独成液后分层涂覆在透明基底层上。相较单纯的石墨烯基透明导电膜，该导电膜的透光性和导电性更优，但其耐温性能差，相对于物理镀膜结合强度低。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐高温复合透明导电膜。
同时，本发明还提供一种上述复合透明导电膜的制备方法。
最后，本发明再提供一种耐高温复合透明导电膜在制备电子器件电极中的应用。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
耐高温复合透明导电膜，包括金属透明导电层和形成在金属透明导电层表面的碳抗氧化保护层；所述金属透明导电层中的金属选自银、铜、铝、镍中的任意一种或多种；碳抗氧化保护层采用真空镀膜法(包括磁控溅射镀膜、电子束热蒸发镀膜等)制备，镀膜原材料为石墨。
所述金属透明导电层的厚度为5～40nm，为单层或多层薄膜结构，包括由单一金属构成的单层或多层薄膜结构，或者由多种金属构成的单层或多层薄膜结构。对于由多种金属构成的多层薄膜结构，包括由单一金属单层构成的多层、由多种金属单层构成的多层、以及单一金属单层与多种金属单层构成的多层这3种情况。
所述金属透明导电层采用真空镀膜法制备，真空镀膜法包括磁控溅射镀膜法、热蒸发镀膜法(如电子束热蒸发镀膜)和脉冲激光沉积镀膜法等，制备温度为室温至150℃。当镀膜材料采用金属铜时，优选采用射频磁控溅射镀膜法，这是因为铜溅射产额较高，采用该方法便于控制镀层厚度。
所述射频磁控溅射镀膜法的工艺参数为：溅射靶材为高纯金属铜(纯度≥99.99％)，待溅射腔室本底真空度数值低于5×10-3Pa后，通入高纯氩气，使腔室气体压力为0.1～3Pa，设置射频功率20～30W，溅射时间100～900s。
所述复合透明导电膜还包括透明基底，而金属透明导电层形成在透明基底的表面。透明基底具体可以采用氧化铝、玻璃、石英、柔性衬底材料等。柔性衬底材料包括聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸类塑料(PET)等。当透明基底采用玻璃时，在使用前依次经丙酮、乙醇(或异丙醇)、去离子水清洗，干燥后备用。
所述碳抗氧化保护层的厚度为1～50nm。
所述碳抗氧化保护层具体采用直流磁控溅射镀膜法制备，溅射靶材为石墨。直流磁控溅射镀膜法的工艺参数为：溅射靶材为高纯石墨(纯度≥99.9％)，通入高纯氩气，使腔室气体压力为0.1～3Pa，设置直流功率50～70W，溅射时间10～90min，温度为室温至400℃。采用该方法能在金属透明导电层的表面缓慢沉积一层碳，促进类碳烯sp2键的形成，从而强化碳抗氧化保护层的电导。
耐高温复合透明导电膜的制备方法，包括以下步骤：
1)金属透明导电层的制备
采用真空镀膜法，以银、铜、铝、镍中的一种或多种为镀膜材料，制备金属透明导电层；
2)碳抗氧化保护层的制备
采用真空镀膜法，以石墨为镀膜材料，在金属透明导电层的表面制备碳抗氧化保护层，即得耐高温复合透明导电膜。
步骤1)中金属透明导电层形成于透明基底的表面，透明基底的材质同上。
步骤1)中真空镀膜法包括磁控溅射镀膜法、热蒸发镀膜法和脉冲激光沉积镀膜法等，制备温度为室温至150℃。镀膜材料为金属铜时，优选采用射频磁控溅射镀膜法，其工艺参数为：以高纯金属铜(纯度≥99.99％)为溅射靶材，待溅射腔室本底真空度数值低于5×10-4Pa后，通入高纯氩气，使腔室气体压力为0.1～3Pa，设置射频功率20～30W，溅射时间100～900s。
步骤2)中真空镀膜法包括磁控溅射镀膜法、热蒸发镀膜法等，优选采用直流磁控溅射镀膜法，其工艺参数为：溅射靶材为高纯石墨(纯度≥99.9％)，通入高纯氩气，使腔室气体压力为0.1～3Pa，设置直流功率50～70W，溅射时间10～90min，温度为室温至400℃，以调控碳的属性。
耐高温复合透明导电膜在制备电子器件电极中的应用。
本发明的有益效果：
本发明中耐高温复合透明导电膜包括金属透明导电层和碳抗氧化保护层，其中金属透明导电层以银、铜、铝、镍中的一种或多种为镀膜材料，碳抗氧化保护层以石墨为溅射靶材，通过形成类碳烯sp2键构成类石墨烯薄膜，厚度不超过50nm。该复合透明导电膜的电学性能优异，电阻率低于4×10-5Ω·cm，最优可达10-6Ω·cm，且透光性好，可见光透过率达70％。与只含金属透明导电层的导电膜相比，在其增加碳抗氧化保护层后，200℃时的电阻率和可见光透过率没有任何变化，225℃时电阻率降低5％，而只含金属透明导电层的导电膜在100～125℃时电阻率即降低，150℃时已成为绝缘体。同时，该复合透明导电膜的可迁移性好，适用于多种金属及包括柔性衬底在内的多种透明基底。采用该复合透明导电膜制备的电极稳定性高，能较好解决因器件发热等因素引起电极升温从而导致器件性能下降甚至损坏的难题，适用于平板显示、太阳能电池、触摸屏等多个电子行业。
本发明中耐高温复合透明导电膜的制备工艺简单，参数可控，无需后续退火处理，可在室温条件下制备，能耗较低，且对薄膜厚度要求较低(厚度太薄导电性能差)，能大幅降低生产成本，提高生产效率和产品性价比。
附图说明
图1为实施例1中耐高温复合透明导电膜的结构示意图；
图2为实施例1中复合透明导电膜的透过率曲线；
图3为实施例2复合透明导电膜中碳抗氧化保护层的拉曼光谱图。
具体实施方式
下述实施例仅对本发明作进一步详细说明，但不构成对本发明的任何限制。
实施例1
如图1所示，本实施例中耐高温复合透明导电膜由透明基底1、金属透明导电层2和碳抗氧化保护层3构成。其中，金属透明导电层2形成于透明基底1的表面，碳抗氧化保护层3形成于金属透明导电层2的表面。
耐高温复合透明导电膜的制备步骤为：
1)透明基底的清洗
将载玻片(玻璃材质)依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗15分钟，烘干备用；
2)金属透明导电层的制备
将透明基体固定在射频磁控溅射样品台上，溅射靶材为高纯金属铜(纯度≥99.99％)，待溅射腔室本底真空度数值低于5×10-3Pa后，室温下，通入高纯氩气，使腔室气体压力为0.4Pa，设置设备功率24W，溅射时间400s，得到金属透明导电层；
3)碳抗氧化保护层的制备
采用直流磁控溅射镀膜法，溅射靶材为高纯石墨(纯度≥99.9％)，待溅射腔室本底真空度数值低于5×10-3Pa后，室温下，通入高纯氩气，使腔室气体压力为0.4Pa，在步骤2)的金属透明导电层表面缓慢沉积一层碳，设置直流功率60W，溅射时间30min，得到碳抗氧化保护层，即得耐高温复合透明导电膜。
上述制备的复合透明导电膜的电阻为30Ω/□，可见光透过率为70％，加热至200℃电阻仍保持不变。
实施例2
本实施例中耐高温复合透明导电膜由透明基底、金属透明导电层和碳抗氧化保护层构成，结构同实施例1。其中金属透明导电层形成于透明基底的表面，碳抗氧化保护层形成于金属透明导电层的表面。
耐高温复合透明导电膜的制备步骤为：
1)透明基底的清洗
将载玻片(玻璃材质)依次在丙酮、异丙醇、去离子水中超声清洗15分钟，烘干备用；
2)金属透明导电层的制备
将透明基体固定在射频磁控溅射样品台上，溅射靶材为高纯金属铜(纯度≥99.99％)，待溅射腔室本底真空度数值低于5×10-3Pa后，室温下，通入高纯氩气，使腔室气体压力为0.4Pa，设置设备功率24W，溅射时间900s，得到金属透明导电层；
3)碳抗氧化保护层的制备
采用直流磁控溅射镀膜法，溅射靶材为高纯石墨(纯度≥99.9％)，待溅射腔室本底真空度数值低于5×10-3Pa后，室温下，通入高纯氩气，使腔室气体压力为0.4Pa，在步骤2)的金属透明导电层表面缓慢沉积一层碳，设置直流功率60W，溅射时间20min，得到碳抗氧化保护层，即得耐高温复合透明导电膜。
上述制备的复合透明导电膜的电阻为10Ω/□，可见光透过率为65％，加热至200℃电阻仍保持不变。
实施例3
本实施例中耐高温复合透明导电膜由透明基底、金属透明导电层和碳抗氧化保护层构成，结构同实施例1。其中金属透明导电层形成于透明基底的表面，碳抗氧化保护层形成于金属透明导电层的表面。
耐高温复合透明导电膜的制备步骤为：
1)透明基底的清洗
将载玻片(玻璃材质)依次在丙酮、异丙醇、去离子水中超声清洗15分钟，烘干备用；
2)金属透明导电层的制备
将透明基体固定在射频磁控溅射样品台上，溅射靶材为高纯金属铜(纯度≥99.99％)，待溅射腔室本底真空度数值低于5×10-3Pa后，室温下，通入高纯氩气，使腔室气体压力为0.4Pa，设置设备功率24W，溅射时间900s，得到金属透明导电层；
3)碳抗氧化保护层的制备
采用直流磁控溅射镀膜法，溅射靶材为高纯石墨(纯度≥99.9％)，待溅射腔室本底真空度数值低于5×10-3Pa后，室温下，通入高纯氩气，使腔室气体压力为0.4Pa，在步骤2)的金属透明导电层表面缓慢沉积一层碳，设置直流功率60W，溅射时间35min，得到碳抗氧化保护层，即得耐高温复合透明导电膜。
上述制备的复合透明导电膜的电阻为60Ω/□，可见光透过率为65％，加热至130℃电阻仍保持不变，而不包含碳抗氧化保护层的透明导电膜在80℃时导电性能已显著降低。
试验例
取实施例1中的复合透明导电膜，测试其透过率曲线，结果见图2。
由图2可知，复合透明导电膜具有优异的透光率。
图3所示为实施例2复合透明导电膜中碳抗氧化保护层的拉曼光谱图。由图3可知，主峰对应sp2碳键，左端弱二次峰由无定形结构中空位引起，说明碳抗氧化保护层中碳原子形成类石墨烯结构，该结构能强化该层的电导，提高复合透明导电膜的导电性。

Claims (10)

1.耐高温复合透明导电膜，其特征在于：该复合透明导电膜包括金属透明导电层和形成在金属透明导电层表面的碳抗氧化保护层；所述金属透明导电层中的金属选自银、铜、铝、镍中的任意一种或多种；碳抗氧化保护层采用真空镀膜法制备，镀膜原材料为石墨。
2.根据权利要求1所述的复合透明导电膜，其特征在于：所述金属透明导电层为单层或多层薄膜结构，其厚度为5～40nm。
3.根据权利要求2所述的复合透明导电膜，其特征在于：所述金属透明导电层采用真空镀膜法制备，制备温度为室温至150℃。
4.根据权利要求3所述的复合透明导电膜，其特征在于：所述金属透明导电层采用射频磁控溅射镀膜法制备，其工艺参数为：以金属铜为溅射靶材，待溅射腔室本底真空度数值低于5×10-3Pa后，通入高纯氩气，使腔室气体压力为0.1～3Pa，设置射频功率20～30W，溅射时间100～900s。
5.根据权利要求1所述的复合透明导电膜，其特征在于：所述碳抗氧化保护层的厚度为1～50nm。
6.根据权利要求5所述的复合透明导电膜，其特征在于：所述碳抗氧化保护层采用直流磁控溅射镀膜法制备，其工艺参数为：溅射靶材为高纯石墨，通入高纯氩气，使腔室气体压力为0.1～3Pa，设置直流功率50～70W，溅射时间10～90min，温度为室温至400℃。
7.根据权利要求1所述的复合透明导电膜，其特征在于：所述复合透明导电膜还包括透明基底，金属透明导电层形成在透明基底的表面；透明基底采用氧化铝、玻璃、石英或柔性衬底材料。
8.耐高温复合透明导电膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)金属透明导电层的制备
采用真空镀膜法，以银、铜、铝、镍中的一种或多种为镀膜材料，制备金属透明导电层；
2)碳抗氧化保护层的制备
采用真空镀膜法，以石墨为镀膜材料，在金属透明导电层的表面制备碳抗氧化保护层，即得耐高温复合透明导电膜。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中碳抗氧化保护层采用直流磁控溅射镀膜法制备，其工艺参数为：溅射靶材为高纯石墨，通入高纯氩气，使腔室气体压力为0.1～3Pa，设置直流功率50～70W，溅射时间10～90min，温度为室温至400℃。
10.如权利要求1～7中任一项所述耐高温复合透明导电膜在制备电子器件电极中的应用。
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