CN107195389B - 金属氮氧化物透明导电薄膜的制备方法 - Google Patents

金属氮氧化物透明导电薄膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属氮氧化物透明导电薄膜的制备方法，步骤：1)选择至少一种原材料添加到去离子水中形成溶液；2)取一基板清洗；3)将基板放置喷涂作业空间内的热板上；4)将溶液倒进高压喷雾系统的材料室；5)在喷涂作业空间内充满一个大气压的氮气；6)打开高压喷雾系统的喷头，将溶液均匀喷射在基板上；7)重复步骤6)，直到金属氮氧化物薄膜的厚度满足要求；8)将基板取出干燥。该方法制备的透明导电薄膜既能保持优良的导电性和透光率，又能降低生产成本，节约生产能耗，可实现大规模卷对卷生产，可用于制造显示器领域和太阳能电池领域的电极、电极引线和数据引线。

Description

金属氮氧化物透明导电薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种金属氮氧化物透明导电薄膜的制备方法，所属技术领域是透明导电薄膜的电子材料与制造技术。
背景技术
ITO是氧化铟(In2O3)和氧化锡(SnO2)的混合物，ITO薄膜有着良好的特性，比如导电性能良好，可见光透过率高(超过85％)，膜层硬度高，膜加工性能好(便于刻蚀)等等，因此在光电领域，ITO电极早已商业化并在液晶显示、OLED显示、太阳能电池等领域中获得广泛应用。但也由于ITO电极制造成本高、不能使用柔性基底、无法“卷对卷”生产等问题迫使研究者寻找替代ITO电极的材料和制造方法。目前比较成熟的金属氧化物替代方案主要是以不含铟的透明导电金属氧化物为主，如氧化锌(ZnO)，铝掺杂氧化锌(AZO),镓掺杂氧化锌(GZO),锑掺杂氧化锡(ATO)和氟掺杂氧化锡(FTO)等。虽然这些金属氧化物替代方案不含有稀有金属铟，降低了生产成本，但在导电性和透光率方面还无法完全替代ITO，而且这些金属氧化物材料在制造电极时，依然需要通过真空蒸镀的方式实现，因此与ITO一样，生产过程无法降低生产能耗、也无法使用柔性基底，无法卷对卷大规模生产。
针对上述问题，近年来溶液加工技术以其温和的操作条件和灵活多样的工艺流程，可实现大尺寸、柔性化等优势，成为制备低成本、大面积电子器件的优良选择。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种金属氮氧化物透明导电薄膜的制备方法，该方法制备的透明导电薄膜既能保持优良的导电性和透光率，又能降低生产成本，节约了生产能耗，可实现大规模卷对卷生产，可用于制造显示器领域和太阳能电池领域的电极、电极引线和数据引线。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
金属氮氧化物透明导电薄膜的制备方法，该方法包括如下步骤：
1)常温下，在下列六种原材料中至少选择一种，按每100CC水取0.1克-10克，添加到去离子水中形成溶液：
六种原材料为：硫酸锌ZnSO4，醋酸锌Zn(C2H3O2)2，硝酸锌Zn(NO3)2，硝酸铟In(NO3)3，醋酸铟In(C2H3O2)3，硫酸铟In2(SO4)3；
2)取一基板清洗；
3)将基板放置喷涂作业空间内的热板上，加热到300度-500度并保持；
4)将步骤1)所述的溶液倒进高压喷雾系统的材料室；
5)在喷涂作业空间内充满一个大气压的氮气；
6)打开高压喷雾系统的喷头，将溶液均匀喷射在基板上，每喷射5nm-20nm暂停10-30秒，让喷涂作业空间内的氮气与喷在基板上的溶液充分反应，以形成金属氮氧化物薄膜：氮氧化锌ZnOxN1-x、氮氧化铟In2OxN3-x、或两者的混合物薄膜；
该步骤发生反应的主要原理为，当基板上的溶液受热后，与喷涂作业空间内的氮气发生了如下反应：
Zn+2+O-2+N-3->ZnOxN1-x
In+3+O-2+N-3->In2OxN3-x
7)重复步骤6)，直到金属氮氧化物薄膜的厚度满足要求，一般为100nm-1000nm；
8)将所得的具有金属氮氧化物薄膜的基板取出并干燥；
所述的基板的材料为石英、玻璃、感光玻璃、硅、塑料、蓝宝石。
为进一步提高薄膜的光电特性，还包括在步骤8)之后的步骤9)：将具有金属氮氧化物薄膜的基板放到高速升温光学加热系统RTA中照射8秒-12秒后取出，使薄膜达到700摄氏度。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)相同的透光率，本发明所得的金属氮氧化物薄膜比金属氧化物ITO薄膜的方块电阻低50％。
2)相同的方块电阻，本发明所得的金属氮氧化物薄膜比金属氧化物ITO薄膜的透光率高5％。
3)本发明提出的金属氮氧化物薄膜溶液加工法可以取代薄膜真空蒸镀法，因此能降低成本，减少能耗，实现大规模生产。
附图说明
图1为溶液加工示意图。
附图中:101—高压喷雾系统的材料室；102—溶液；103—喷涂作业空间；104—高压喷雾系统的喷头；105—热板；106—氮气；107—基板；108—金属氮氧化物薄膜；109—喷射出的溶液气雾。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
金属氮氧化物透明导电薄膜的制备方法，如图1所示，该方法包括如下步骤：
1)取99.99％纯度的硝酸锌Zn(NO3)2 20克，加到含有200CC的去离子水中，搅拌2分钟形成溶液102；
2)将该溶液102倒入高压喷雾系统的材料室101；
3)取一2英寸的石英基板107，先用IPA清洗10分钟，再用Acetone清洗5分钟，再用去离子水清洗5分钟，用氮气吹干；
4)把石英基板107放到喷涂作业空间103的热板105上加热到450摄氏度；
5)将氮气106充满喷涂作业空间103；
6)打开高压喷雾系统的喷头104，对准基板喷射10秒后，停止喷射，等待20秒，形成厚度为10nm的氮氧化锌ZnOxN1-x薄膜；
7)重复步骤6)100次后，在基板上形成了具有1000nm厚度的氮氧化锌ZnOxN1-x薄膜，x约为0.8；
8)降低热板温度，取出基板并干燥；
9)将具有氮氧化锌薄膜的基板放入高速升温光学加热系统RTA中照射10秒，使薄膜温度达到700度；该RTA的型号为“AG Associate 410”。
10)将基板取出并测量，得到金属氮氧化物层薄膜的厚度为1000nm、导电性测量结果为每方块电阻10欧姆，透光率测试结果为波长500-700纳米的光谱范围的透光率为85％。
本发明公开六种适合制成金属氮氧化物透明导电薄膜的原材料，制备出的金属氮氧化物薄膜具有较低的电阻、较高的透光率，可用于制作显示器领域和太阳能电池领域中的透明电极、电极引线和数据引线。该加工方法成本低、能耗少、可用于柔性基底、能大规模生产。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.金属氮氧化物透明导电薄膜的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)常温下，在下列六种原材料中至少选择一种，按每100CC水取0.1克-10克，添加到去离子水中形成溶液：
六种原材料为：硫酸锌ZnSO4，醋酸锌Zn(C2H3O2)2，硝酸锌Zn(NO3)2，硝酸铟In(NO3)3，醋酸铟In(C2H3O2)3，硫酸铟In2(SO4)3；
2)取一基板清洗；
3)将基板放置喷涂作业空间内的热板上，加热到300度-500度并保持；
4)将步骤1)所述的溶液倒进高压喷雾系统的材料室；
5)在喷涂作业空间内充满一个大气压的氮气；
6)打开高压喷雾系统的喷头，将溶液均匀喷射在基板上，每喷射5nm-20nm暂停10-30秒，让喷涂作业空间内的氮气与喷在基板上的溶液充分反应，以形成金属氮氧化物薄膜：氮氧化锌ZnOxN1-x、氮氧化铟In2OxN3-x、或两者的混合物薄膜；
7)重复步骤6)，直到金属氮氧化物薄膜的厚度为100nm-1000nm；
8)将所得的具有金属氮氧化物薄膜的基板取出并干燥。
2.根据权利要求1所述金属氮氧化物透明导电薄膜的制备方法，其特征在于，所述的基板的材料为石英、玻璃、硅、塑料或蓝宝石。
3.根据权利要求1所述金属氮氧化物透明导电薄膜的制备方法，其特征在于，为进一步提高薄膜的光电特性，还包括在步骤8)之后的步骤9)：将具有金属氮氧化物薄膜的基板放到高速升温光学加热系统RTA中照射8秒-12秒后取出，使薄膜达到700摄氏度。
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