CN108400180A - 纹理衬底增强柔性器件在机械应力下的电学稳定性 - Google Patents
纹理衬底增强柔性器件在机械应力下的电学稳定性 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108400180A CN108400180A CN201810073488.9A CN201810073488A CN108400180A CN 108400180 A CN108400180 A CN 108400180A CN 201810073488 A CN201810073488 A CN 201810073488A CN 108400180 A CN108400180 A CN 108400180A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- zno
- texture
- flexible
- substrate
- film
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 149
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 claims abstract description 45
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 115
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 claims description 41
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 claims description 41
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 28
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 27
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 23
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims description 20
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 15
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 238000001027 hydrothermal synthesis Methods 0.000 claims description 13
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 210000001124 body fluid Anatomy 0.000 claims description 12
- 239000010839 body fluid Substances 0.000 claims description 12
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 12
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 12
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 12
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 10
- 238000007689 inspection Methods 0.000 claims description 9
- 230000012010 growth Effects 0.000 claims description 8
- 150000003751 zinc Chemical class 0.000 claims description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 7
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 claims description 7
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 claims description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 6
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 6
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 6
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 claims description 5
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 5
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical group O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 4
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 4
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 claims description 4
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 claims description 4
- 239000002390 adhesive tape Substances 0.000 claims description 3
- 210000000080 chela (arthropods) Anatomy 0.000 claims description 3
- 238000012876 topography Methods 0.000 claims description 3
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 2
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 12
- 238000011160 research Methods 0.000 abstract description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 2
- 208000037656 Respiratory Sounds Diseases 0.000 description 7
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 6
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 5
- 238000003491 array Methods 0.000 description 4
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 4
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 2
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 2
- VKYKSIONXSXAKP-UHFFFAOYSA-N hexamethylenetetramine Chemical compound C1N(C2)CN3CN1CN2C3 VKYKSIONXSXAKP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 2
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 2
- AGGKEGLBGGJEBZ-UHFFFAOYSA-N tetramethylenedisulfotetramine Chemical compound C1N(S2(=O)=O)CN3S(=O)(=O)N1CN2C3 AGGKEGLBGGJEBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 2
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 2
- 241001614291 Anoplistes Species 0.000 description 1
- 240000007594 Oryza sativa Species 0.000 description 1
- 235000007164 Oryza sativa Nutrition 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005422 blasting Methods 0.000 description 1
- 235000013339 cereals Nutrition 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000011438 discrete method Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 235000013399 edible fruits Nutrition 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 229920005570 flexible polymer Polymers 0.000 description 1
- 125000004836 hexamethylene group Chemical group [H]C([H])([*:2])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])[*:1] 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 229920002521 macromolecule Polymers 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000012149 noodles Nutrition 0.000 description 1
- 238000011017 operating method Methods 0.000 description 1
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 235000009566 rice Nutrition 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 150000005846 sugar alcohols Polymers 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
- 238000000825 ultraviolet detection Methods 0.000 description 1
- 239000003643 water by type Substances 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0236—Special surface textures
- H01L31/02366—Special surface textures of the substrate or of a layer on the substrate, e.g. textured ITO/glass substrate or superstrate, textured polymer layer on glass substrate
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
- Parts Printed On Printed Circuit Boards (AREA)
Abstract
纹理衬底增强柔性器件在机械应力下的电学稳定性，涉及半导体技术领域。本发明以柔性ZnO纳米线阵列紫外探测器为示范性验证，研究衬底形貌对柔性电子器件机械应力作用下电学稳定性的影响。相对于平滑的有机薄膜，存在纹理结构的有机薄膜衬底具有与ZnO间更好的膜基结合强度，改善了柔性器件膜基结构容易出现的屈曲、开裂等问题，提高了器件在机械应力作用下的电学稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体是指纹理柔性衬底增强薄膜与衬底间的结合强度进而增强柔性电子器件在机械应力下的电学稳定性。
背景技术
柔性电子是建立在可弯曲或可延展基板上的新兴电子技术，柔性电子器件在弯曲、压缩或拉伸状态下仍能正常运行。以其独特的柔韧性、延展性、耐用性好等特点，在信息、医疗、智能可穿戴设备等诸多领域都有着广泛的应用前景，如柔性传感器、柔性显示器、柔性电子皮肤、有机发光二极管(OLED)、薄膜太阳能电池等。
目前，大多数研究重点都在于器件的功能和性能，对于机械条件下柔性器件的电学可靠性和稳定性仍鲜有关注，但这一个重要的因素影响了柔性电子器件的实际应用。依据现有的制备工艺，基于柔性衬底的电子器件的制备方法根据基板的进给方式主要有两种，即基于片式制造工艺的非连续法和基于R2R(卷对卷) 制造工艺的连续法。R2R能实现大尺寸、大批量的生产。但目前R2R技术还不成熟，受到材料、工艺等方面的影响。如柔性基板易变形，以至于工艺条件受到限制等问题都是R2R制造工艺面临的挑战。不论是哪种制备方法，薄膜结构都是柔性电子器件制备中重要的一环，膜基质量的好坏直接决定了柔性电子器件的可靠性及稳定性。柔性基底带来轻便、成本低等优点的同时，还存在一些缺点。如受到温度、湿度等物理条件变化或外界应力时，片上薄膜结构容易发生开裂、屈曲，从而使电子器件失效。许多失效情况可归因于柔性基底与薄膜间较差的结合强度，所以薄膜与衬底的结合强度是器件保持长期稳定性和可靠性的基础。不同形貌及粗糙度的衬底直接影响了膜基间的结合强度，如当金刚石用作为衬底时，金刚石上所制备的薄膜与衬底的结合强度从抛光表面、粗晶表面和细晶表面逐渐增加。为了加强柔性基底与薄膜间的结合强度，往往需要先制备一层粘附层或进行喷砂处理，从而增加了工艺的复杂程度。
将ZnO纳米线紫外探测器制备于柔性聚合物衬底，采用一般柔性材料聚酰亚胺(PI)作为衬底，器件结构包括两个水平对称的ZnO薄膜，其上为金属层，纳米线桥接于两电极之间。然而，由于ZnO薄膜、金属层构成的无机材料和有机材料PI组成的多层膜结构，热膨胀系数、弹性模量等材料属性存在严重失配，层与层之间相互约束，在界面处容易产生各种载荷。PI薄膜为大分子聚合物，为非晶体，ZnO薄膜层与PI衬底的主要键合方式为物理键合。在膜基结合强度不高和膜基界面处有缺陷的位置，极易受到温度、湿度变化及应力等外界因素的影响而发生开裂、屈曲。
本发明采用具有纹理的柔性衬底可省去制备粘附层或其它工艺处理步骤，提高了膜基结合强度，以柔性ZnO纳米线紫外探测器为示范性验证，使器件在机械应力作用下可以保持电学稳定性。
发明内容
有鉴于此，分别在纹理和光滑柔性衬底上制备薄膜结构的柔性电子器件，验证纹理衬底增强柔性器件在机械应力下的稳定性这一效果。纹理柔性衬底增强柔性电子器件在机械应力下的电学稳定性的应用。
所述纹理柔性衬底表面的纹理形貌为条纹状，把凸起的部分看作波峰，凹陷的部分看作波谷，相邻波峰和波谷间的高度差为10～200nm，两相邻波峰或两波谷之间的间距为50～500nm，在10μm×10μm范围内，粗糙度Ra范围为3～20nm；
所述柔性电子器件以柔性ZnO纳米线紫外探测器为示范性验证，器件包括在纹理柔性衬底上沉积两个平行对称且独立的ZnO薄膜，ZnO薄膜上为金属电极层，作为感光部分的纳米材料ZnO纳米线阵列在ZnO薄膜的相对的两侧壁间自组织生长，桥接于两电极之间。
上述纹理柔性衬底增强柔性电子器件在机械应力下的电学稳定性的效果验证，效果验证的方法包括膜基结合强度的检验以及在机械应力作用下保持电学稳定性的检验。
所述光滑衬底表面形貌较为光滑，高低起伏的高度差在10nm以内，在 10μm×10μm范围内，粗糙度Ra范围为0～2nm。所述纹理衬底和光滑衬底的材质均为聚酰亚胺(PI)。
所述纹理衬底和光滑衬底的厚度一致，为50μm～500μm。
所述ZnO薄膜的厚度优选为50nm～300nm。
在柔性ZnO纳米线紫外探测器中分别检测纹理和光滑衬底与ZnO薄膜的结合强度，方法为超声清洗，包括以下步骤：
步骤1：将清洗干净的各1cm×1cm大小的纹理和光滑柔性衬底用耐高温双面胶粘于预先准备好的硅片上，并再次清洗，再将样品烘干；
步骤2：通过射频磁控溅射溅射ZnO薄膜，溅射功率为150W；
步骤3：将样品放置于超声清洗槽中，超声清洗介质为去离子水，超声功率为200W，观察不同时间下两种衬底表面ZnO薄膜的完整性。
所述的柔性ZnO纳米线紫外探测器图形结构为T形；
优选的，所述T形头尺寸为25～100μm。
所述的柔性ZnO纳米线紫外探测器的电极的材质优选为Ti/Au复合层；
优选的，所述Ti层的厚度为15～30nm；
优选的，所述Au层的厚度为30～300nm，
优选的，所述电极之间的缝隙宽度优选为5μm～10μm；
所述的柔性ZnO纳米线紫外探测器的ZnO纳米线的长度优选为3～5μm；所述ZnO纳米线的直径优选为50nm～200nm。
所述的在机械应力作用下保持电学稳定性的检验，以柔性ZnO纳米线紫外探测器的制备方法及其在机械应力下电学稳定性的检测，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将清洗干净的各两块1cm×1cm大小的纹理和光滑柔性衬底用耐高温双面胶粘于预先准备好的硅片上，将样品分为两组，每一组包含一个纹理衬底和一个光滑衬底，并再次清洗，再将样品烘干；
步骤2：采用光刻的方法将衬底全部图案化；
步骤3：在已图案化的样品上，通过射频磁控溅射溅射ZnO薄膜，为对比不同溅射功率即不同ZnO薄膜质量下，ZnO薄膜与两种柔性衬底的结合情况，第一组样品溅射功率为150W，第二组样品溅射功率为200W；
步骤4：通过射频磁控溅射方法在ZnO薄膜上制备金属电极；
步骤5：采用剥离工艺将光刻胶剥离，留下ZnO薄膜和金属电极；
步骤6：将样品有图形的一侧朝下，使其漂浮在制备好的前体液中，采用水热法在ZnO薄膜侧壁生长横向的ZnO纳米线阵列；
步骤7：将样品从硅片上取下，完成柔性ZnO纳米线紫外探测器的制备。
步骤8：施加机械应力的方法为使用台钳固定芯片并使其弯曲不同角度，弯曲角度范围为-80°～80°，并测试不同弯曲角度下的电学特性。
优选的，所述水热反应的温度为70～90℃；所述水热反应的时间为7～20h。
优选的，所述水热法所使用的溶液为锌盐和六亚甲基四胺组成的前体液，所述锌盐和六亚甲基四胺的摩尔比为1：1～1：2。
优选的，所述前体液中锌盐的浓度为0.5～1mmol/L；所述六亚甲基四胺的浓度为0.5～2mmol/L。
本发明与现有技术相比具有的优点：
本发明采用具有纹理的柔性衬底，进而省去制备粘附层或其它工艺处理步骤，提高了膜基结合强度，减少薄膜失效行为，以柔性ZnO纳米线紫外探测器为示范性验证，使器件在不同的弯曲角度下保持电学稳定性。
本发明提出的采用纹理衬底增强柔性电子器件在机械应力作用下的稳定性的方法，降低了制备加工成本，技术经济性显著，具有推广价值。
附图说明
图1 PI衬底溅射ZnO薄膜前后在光学显微镜下的图像和AFM图像；
图2纹理和PI衬底表面ZnO薄膜随时间变化的光学显微镜下的图片，(a,g) 5min、(b,h)10min、(c,i)30min、(d,j)40min、(e,k)60min、(f,l)90min；
图3(a)柔性ZnO纳米线紫外探测器的剖面图，1-柔性衬底，2-ZnO薄膜， 3-金属层，4-ZnO纳米线；(b)器件图形及尺寸；
图4 150W磁控溅射功率所制备的ZnO薄膜，(a,b)在纹理和光滑PI衬底上器件在光学显微镜下的图片；(c)ZnO纳米线SEM图像；(d)柔性紫外探测器芯片；
图5 150W磁控溅射功率所制备的ZnO薄膜，(a,b)探测器芯片弯曲角度从 0°到80°，再从0°到-80°，再恢复到平整状态后在光学显微镜下的图片；(c,d) 芯片弯曲前后器件I-V特性变化；(e,f)芯片弯曲前后3×3阵列中光增益的变化及均匀性表征；
图6 150W磁控溅射功率所制备的ZnO薄膜，光电流的随器件弯曲角度的变化曲线；
图7 200W磁控溅射功率所制备的ZnO薄膜，(a,b)在纹理和光滑PI衬底上器件在光学显微镜下的图片；
图8 200W磁控溅射功率所制备的ZnO薄膜，(a,b)探测器芯片弯曲角度从 0°到80°，再从0°到-80°，再恢复到平整状态后在光学显微镜下的图片；(c,d) 芯片弯曲前后器件I-V特性变化；(e,f)芯片弯曲前后3×3阵列中光增益的变化及均匀性表征；
图9 200W磁控溅射功率所制备的ZnO薄膜，光电流的随器件弯曲角度的变化曲线；
图10(a,b)纹理和光滑PI衬底与ZnO薄膜形成的膜基结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。分别在纹理和光滑柔性衬底上制备薄膜结构的柔性电子器件，验证纹理衬底增强柔性器件在机械应力下的稳定性这一效果；所述柔性电子器件以柔性ZnO纳米线紫外探测器为示范性验证，器件包括两个平行对称且独立的ZnO薄膜，ZnO薄膜上为金属电极层，作为感光部分的纳米材料ZnO纳米线阵列在ZnO薄膜的相对的两侧壁间自组织生长，桥接于两电极之间。
所述纹理衬底表面的纹理形貌为条纹状，把凸起的部分看作波峰，凹陷的部分看作波谷，相邻波峰和波谷间的高度差为10～200nm，两相邻波峰或两波谷之间的间距为50～500nm，在10μm×10μm范围内，粗糙度Ra范围为3～20nm；
光滑衬底表面形貌较为光滑，高低起伏的高度差在10nm以内，在 10μm×10μm范围内，粗糙度Ra范围为0～2nm。
所述纹理衬底和光滑衬底的材质均为聚酰亚胺(PI)。
所述纹理衬底和光滑衬底的厚度一致，为50μm～500μm。
所述ZnO薄膜的厚度优选为50nm～300nm。
检测纹理和光滑衬底与ZnO薄膜的结合强度方法为超声清洗，包括以下步骤：
步骤1：将清洗干净的各1cm×1cm大小的纹理和光滑柔性衬底用耐高温双面胶粘于预先准备好的硅片上，并再次清洗，再将样品烘干；
步骤2：通过射频磁控溅射溅射ZnO薄膜，溅射功率为150W；
步骤3：将样品放置于超声清洗槽中，超声清洗介质为去离子水，超声功率为200W，观察不同时间下两种衬底表面ZnO薄膜的完整性。
在本发明中，所述的柔性ZnO纳米线紫外探测器图形结构为T形。所述T 形头尺寸为25～100μm。
在本发明中，所述的柔性ZnO纳米线紫外探测器的电极位于ZnO薄膜之上。材质优选为Ti/Au复合层；所述Ti层的厚度为15～30nm；优选的，所述Au层的厚度为30～300nm；两电极之间的缝隙宽度优选为5μm～10μm。
在本发明中，所述的柔性ZnO纳米线紫外探测器的ZnO纳米线的长度优选为3～5μm；所述ZnO纳米线的直径优选为50nm～200nm。
柔性ZnO纳米线紫外探测器的制备方法及其在机械应力下电学稳定性的检测，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将清洗干净的各两块1cm×1cm大小的纹理和光滑柔性衬底用耐高温双面胶粘于预先准备好的硅片上，将样品分为两组，每一组包含一个纹理衬底和一个光滑衬底，并再次清洗，再将样品烘干；
步骤2：采用光刻的方法将衬底全部图案化；
步骤3：在已图案化的样品上，通过射频磁控溅射溅射ZnO薄膜，为对比不同溅射功率即不同ZnO薄膜质量下，ZnO薄膜与两种柔性衬底的结合情况，第一组样品溅射功率为150W，第二组样品溅射功率为200W；
步骤4：通过射频磁控溅射方法在ZnO薄膜上制备金属电极；
步骤5：采用剥离工艺将光刻胶剥离，留下ZnO薄膜和金属电极；
步骤6：将样品有图形的一侧朝下，使其漂浮在制备好的前体液中，采用水热法在ZnO薄膜侧壁生长横向的ZnO纳米线阵列；
步骤7：将样品从硅片上取下，完成柔性ZnO纳米线紫外探测器的制备。
步骤8：施加机械应力的方法为使用台钳固定芯片并使其弯曲不同角度，弯曲角度范围为-80°～80°，并测试不同弯曲角度下的电学特性。
本发明对上述方案中采用的磁控溅射、光刻的具体操作方法和条件没有特殊的要求，使用本领域人员熟知的操作方法和条件即可。
在本发明中，所述水热反应的温度为70～90℃；所述水热反应的时间为 7～20h；优选的，所述水热法所使用的溶液为锌盐和六亚甲基四胺组成的前体液，所述锌盐和六亚甲基四胺的摩尔比为1：1～1：2；所述前体液中锌盐的浓度为 0.5～1mmol/L；所述六亚甲基四胺的浓度为0.5～2mmol/L。
实施例1
采用超声清洗检测纹理和光滑衬底与ZnO薄膜的结合强度：
所使用的纹理PI衬底表面相邻波峰和波谷间的高度差为10～100nm，两相邻波峰或两波谷之间的间距为50～500nm，在10μm×10μm范围内，粗糙度Ra为 6.54nm，如图1(a)。所使用的光滑衬底表面在10μm×10μm范围内，粗糙度Ra 为1.18nm，如图1(c)。
将清洗干净的各1cm×1cm大小100μm厚的纹理和光滑柔性PI衬底用耐高温双面胶粘于预先准备好的硅片上，并再次清洗，再将样品烘干，通过射频磁控溅射溅射130nm厚的ZnO薄膜，溅射功率为150W，实验所采用的两种PI衬底溅射ZnO薄膜前后在光学显微镜下的图像及AFM图像如图1(b,d)所示，溅射130nmZnO薄膜之后，其粗糙度分别为13.7nm和2.80nm。
将样品放置于超声清洗槽中，超声介质为去离子水，超声功率为200W，观察不同时间下两种衬底表面ZnO薄膜的完整性，所选取的时间为5min、10min、 30min、40min、60min、90min，衬底表面ZnO薄膜超声前图片如图1(b,d)所示，随时间变化的光学显微镜下的图片如图2所示。随时间变化，光滑衬底上 ZnO薄膜裂纹逐渐增多，纹理PI衬底上的ZnO薄膜展现出更好的完整性。
柔性ZnO纳米线紫外探测器的制备及其在机械应力下电学稳定性的检测，所述紫外探测器的剖面图如图3(a)所示：
将清洗干净的各两块1cm×1cm大小的纹理和光滑柔性衬底用耐高温双面胶粘于预先准备好的硅片上，将样品分为两组，每一组包含一个纹理衬底和一个光滑衬底，并再次清洗，再将样品烘干；
在衬底表面光刻出器件图形，所采取的T形头的尺寸L分别为为25、50、 75、100μm，T形头间距为5μm，器件图形及尺寸如图3(b)和图4不同尺寸图所示；
在已图案化的样品上，通过射频磁控溅射溅射ZnO薄膜，为对比不同溅射功率即不同ZnO薄膜质量下，ZnO薄膜与两种柔性衬底的结合情况，第一组样品溅射功率为150W，第二组样品溅射功率为200W，所溅射ZnO薄膜厚度均为 130nm；
通过射频磁控溅射方法在ZnO薄膜上制备金属电极；
采用剥离工艺将光刻胶剥离，留下ZnO薄膜和金属电极；
将Zn(NO3)2·6H2O 1mmol和六亚甲基四胺1mmol溶解于1L去离子水中，搅拌均匀，作为斜向ZnO纳米线阵列生长的前体液；取400mL前体液于水热反应釜中，将样品有图形的一侧朝下放置，使其漂浮在前体液中，在80℃下持续生长8h；将生长完ZnO纳米线的样品用去离子水冲洗，之后用氮气吹干；
将样品从硅片上取下，完成柔性ZnO纳米线紫外探测器的制备。
ZnO薄膜的溅射功率采用150W时，在纹理和光滑PI衬底上器件在光学显微镜下的图片如图4(a,b)所示，图4(c)为ZnO纳米线的SEM图像，图4 (d)为所制备的紫外探测器芯片。纹理衬底上器件基本保持完整，光滑衬底表面器件发生严重开裂。
使用钳台对两个样品施加弯曲应力，弯曲角度从0°到80°，再从0°到-80°，再恢复到平整状态后的循环弯曲在显微镜下的图片如图5(a,b)，可以观察到纹理衬底器件表面只是出现细微裂纹，而光滑衬底上器件表面出现截断式的裂纹。器件I-V特性变化如图5(c,d)所示，纹理衬底上器件基本能保持原有的I-V特性，光滑衬底上器件因为截断式的裂纹器件本身发生开路而彻底失效。3×3阵列中光暗电流比的变化及均匀性表征如图5(e,f)所示，纹理衬底上的器件基本保持了原有的光暗电流比，而光滑衬底上只有一个器件能够保持原有特性。器件从 -80°到80°，器件光电流的变化如图6所示，纹理衬底上器件在整个过程中都能够保持平稳，而光滑衬底上器件在小角度范围内就发生了失效。
ZnO薄膜的溅射功率采用200W时，在纹理和光滑PI衬底上器件在光学显微镜下的图片、ZnO纳米线及探测器芯片如图7所示。在溅射功率加大后ZnO 薄膜的质量得到改善，纹理和光滑PI衬底上的器件都能保持完整。同样地，使用钳台对两个样品施加弯曲应力，弯曲角度从0°到80°，再从0°到-80°，再恢复到平整状态后在显微镜下的图片如图8(a,b)，可以观察到纹理衬底器件表面仍只是出现细微裂纹，光滑衬底上器件表面再次出现截断式的裂纹。器件I-V 特性变化如图8(c,d)所示，纹理衬底上器件基本能保持原有特性，光滑衬底上器件也再次因为截断式的裂纹器件本身发生开路而彻底失效。3×3阵列中光暗电流比的变化及均匀性表征如图8(e,f)所示，纹理衬底上的器件基本保持了原有的光暗电流比，光滑衬底上只有一个器件还具备紫外探测功能。器件从-80°到80°，器件光电流的变化如图9所示，纹理衬底上器件在整个过程中都能够保持器件在平整状态下的值，而光滑衬底上器件同样在小角度范围内就发生了失效。
实验中所沉积的ZnO晶粒尺寸在50nm以下，大部分可以很好的沉积在纹理结构的PI衬底表面，从而使ZnO晶粒能够充分接触并分布于PI衬底的波谷与波峰处，使薄膜和衬底紧密黏合，而且依旧保持原来的纹理形貌。采用150W 溅射功率在两种PI衬底上所溅射的130nm ZnO薄膜，光滑PI衬底上出现裂纹，纹理化PI衬底上ZnO薄膜能够保持完整，如图1(b,d)。这说明：在磁控溅射薄膜的过程中会产生一定的沉积应力，在应力大于膜基结合强度时，薄膜会受到损伤。在薄膜生长中晶体合并的阶段，晶体之间相互合并会引起拉应力，当应力得不到缓解或膜基间粘附力不够强时，薄膜容易发生开裂。在溅射的过程中薄膜应力太大，在此过程中以裂纹的形式释放出来。所以在光滑PI衬底上薄膜越厚产生的裂纹越多，而提高溅射的功率，提高膜的致密性，可在一定程度上减弱残余应力，减少裂纹。
纹理衬底特殊的结构能够缓解这种沉积应力，并与ZnO薄膜能够更好地紧密结合，减少了薄膜开裂等失效行为的发生。纹理结构PI衬底与ZnO薄膜构成了更可靠的界面强度。纹理结构的PI衬底与ZnO薄膜形成的机械键合的结构主要以三种方式来提高膜基间结合强度。第一，微粗糙的纹理结构增大了ZnO薄膜与PI基底的接触面积，进而提高了膜基间物理键合的整体强度。第二，微粗糙的纹理结构降低了膜基相对滑动的趋势。在沉积薄膜的过程中，由于沉积ZnO 薄膜造成的错配应变以及残余应力，总是有使膜基滑动或发生脱层的趋势。从局部来看，如图10(a)所示，突起波峰的侧壁为膜基间的结合力大小为fr，可分解为一个水平方向的力f2，缓解了薄膜受到剪切力时的作用。相反地，表面光滑的PI衬底，没有横向作用的力，只有垂直方向的结合力fs，如图10(b)。当ZnO 薄膜受到剪切力、拉伸应力等其他应力的作用时，容易在局部有缺陷的位置发生断裂或滑移。第三，ZnO薄膜与PI基底在界面处交错咬合，形成三维界面区，构成机械互锁的结构，使ZnO薄膜与PI衬底结合的更加牢固。
在150W溅射功率下，沉积的ZnO颗粒均匀性较差，薄膜质量也较差，使 ZnO薄膜与衬底之间出现缺陷、损伤，又传递到了金属薄膜和ZnO薄膜之间。同时，ZnO与金属的热膨胀系数、弹性模量等物理特性存在较大差异，在受到湿度、温度变化时，容易发生薄膜开裂失效等现象。在80℃的环境下进行8h纳米线生长之后这种缺陷变得更加明显，如图4(b)。纹理化PI衬底依靠自身特殊的结构和ZnO薄膜形成更高的界面强度，可以有效地降低薄膜裂纹密度。有利于改善薄膜表面拉伸压力的分布。进而增加了膜基的可靠性，保持了器件在整个工艺流程中的完整性。采取200W溅射功率，两种PI衬底上的图形都可以保持完整，200W溅射功率整体提高了薄膜质量，如图7。
在150W和200W两种溅射功率下，不同ZnO薄膜质量，基于纹理化PI衬底上的器件表现除了更好的耐弯曲特性。如图5(b)和图8(b)基于光滑PI衬底的器件电极都出现了截断式的断裂，致使器件自身出现开路而失效。而纹理化 PI衬底上的器件出现细微裂纹，器件特性基本未受到影响。纹理化PI衬底与ZnO 薄膜较好的结合强度以及机械咬合的效果，改善了弯曲应力所带来的损伤，使器件具有更好的弯曲性能。
Claims (8)
1.纹理柔性衬底增强柔性电子器件在机械应力下的电学稳定性的应用。
2.按照权利要求1所述的纹理柔性衬底增强柔性电子器件在机械应力下的电学稳定性的应用，其特征在于，纹理柔性衬底表面的纹理形貌为条纹状，把凸起的部分看作波峰，凹陷的部分看作波谷，相邻波峰和波谷间的高度差为10～200nm，两相邻波峰或两波谷之间的间距为50～500nm，在10μm×10μm范围内，粗糙度Ra范围为3～20nm。
3.按照权利要求1所述的纹理柔性衬底增强柔性电子器件在机械应力下的电学稳定性的应用，其特征在于，所述柔性电子器件以柔性ZnO纳米线紫外探测器为示范性验证，器件包括在纹理柔性衬底上沉积两个平行对称且独立的ZnO薄膜，ZnO薄膜上为金属电极层，作为感光部分的纳米材料ZnO纳米线阵列在ZnO薄膜的相对的两侧壁间自组织生长，桥接于两电极之间。
4.权利要求1-3任一项所述的上述纹理柔性衬底增强柔性电子器件在机械应力下的电学稳定性的效果验证，其特征在于，效果验证的方法包括膜基结合强度的检验以及在机械应力作用下保持电学稳定性的检验；
膜基结合强度的检验：检测纹理和光滑衬底与ZnO薄膜的结合强度方法，为超声清洗，包括以下步骤：
步骤1：将清洗干净的各1cm×1cm大小的纹理和光滑柔性衬底用耐高温双面胶粘于预先准备好的硅片上，并再次清洗，再将样品烘干；
步骤2：通过射频磁控溅射溅射ZnO薄膜，溅射功率为150W；
步骤3：将样品放置于超声清洗槽中，超声清洗介质为去离子水，超声功率为200W，观察不同时间下两种衬底表面ZnO薄膜的完整性；
在弯折作用下保持电学稳定性的检验，以柔性ZnO纳米线紫外探测器的制备方法及其在机械应力下电学稳定性的检测，包括以下步骤：
步骤1：将清洗干净的各两块1cm×1cm大小的纹理和光滑柔性衬底用耐高温双面胶粘于预先准备好的硅片上，将样品分为两组，每一组包含一个纹理衬底和一个光滑衬底，并再次清洗，再将样品烘干；
步骤2：采用光刻的方法将衬底全部图案化；
步骤3：在已图案化的样品上，通过射频磁控溅射溅射ZnO薄膜，为对比不同溅射功率即不同ZnO薄膜质量下，ZnO薄膜与两种柔性衬底的结合情况，第一组样品溅射功率为150W，第二组样品溅射功率为200W；
步骤4：通过射频磁控溅射方法在ZnO薄膜上制备金属电极；
步骤5：采用剥离工艺将光刻胶剥离，留下ZnO薄膜和金属电极；
步骤6：将样品有图形的一侧朝下，使其漂浮在制备好的前体液中，采用水热法在ZnO薄膜侧壁生长横向的ZnO纳米线阵列；
步骤7：将样品从硅片上取下，完成柔性ZnO纳米线紫外探测器的制备。
步骤8：施加机械应力的方法为使用台钳固定芯片并使其弯曲不同角度，弯曲角度范围为-80°～80°，并测试不同弯曲角度下的电学特性。
5.按照权利要求4所述的效果验证，其特征在于，纹理柔性衬底表面的纹理形貌为条纹状，把凸起的部分看作波峰，凹陷的部分看作波谷，相邻波峰和波谷间的高度差为10～200nm，两相邻波峰或两波谷之间的间距为50～500nm，在10μm×10μm范围内，粗糙度Ra范围为3～20nm；所述光滑衬底表面形貌较为光滑，高低起伏的高度差在10nm以内，在10μm×10μm范围内，粗糙度Ra范围为0～2nm；所述纹理衬底和光滑衬底的材质均为聚酰亚胺(PI)；所述纹理衬底和光滑衬底的厚度一致，为50μm～500μm；所述ZnO薄膜的厚度优选为50nm～300nm。
6.按照权利要求4所述的效果验证，其特征在于，检测纹理和光滑衬底与ZnO薄膜的结合强度方法中，柔性ZnO纳米线紫外探测器图形结构为T形；所述T形头尺寸为25～100μm；柔性ZnO纳米线紫外探测器的电极的材质优选为Ti/Au复合层；所述Ti层的厚度为15～30nm；所述Au层的厚度为30～300nm，所述电极之间的缝隙宽度优选为5μm～10μm；柔性ZnO纳米线紫外探测器的ZnO纳米线的长度优选为3～5μm；所述ZnO纳米线的直径优选为50nm～200nm。
7.按照权利要求4所述的效果验证，其特征在于，在弯折作用下保持电学稳定性的检验中，所述水热反应的温度为70～90℃；所述水热反应的时间为7～20h；所述水热法所使用的溶液为锌盐和六亚甲基四胺组成的前体液，所述锌盐和六亚甲基四胺的摩尔比为1：1～1：2；所述前体液中锌盐的浓度为0.5～1mmol/L；所述六亚甲基四胺的浓度为0.5～2mmol/L。
8.按照权利要求4所述的效果验证，其特征在于，在弯折作用下保持电学稳定性的检验中，步骤8，使用钳台对两个样品施加弯曲应力，弯曲角度从0°到80°，再从0°到-80°，再恢复到平整状态后的电学特性。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810073488.9A CN108400180B (zh) | 2018-01-25 | 2018-01-25 | 纹理衬底增强柔性器件在机械应力下的电学稳定性 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810073488.9A CN108400180B (zh) | 2018-01-25 | 2018-01-25 | 纹理衬底增强柔性器件在机械应力下的电学稳定性 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108400180A true CN108400180A (zh) | 2018-08-14 |
| CN108400180B CN108400180B (zh) | 2020-06-16 |
Family
ID=63093825
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810073488.9A Active CN108400180B (zh) | 2018-01-25 | 2018-01-25 | 纹理衬底增强柔性器件在机械应力下的电学稳定性 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108400180B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113991019A (zh) * | 2021-12-27 | 2022-01-28 | 天津大学 | 一种增强有机半导体薄膜形貌稳定性的方法 |
| CN115553762A (zh) * | 2022-09-26 | 2023-01-03 | 杭州柏医健康科技有限公司 | 一种纹理化的双面柔性传感器及其制备方法与应用 |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1725931A (zh) * | 2004-07-06 | 2006-01-25 | 住友电工印刷电路株式会社 | 柔性印刷基板 |
| WO2012086986A2 (ko) * | 2010-12-20 | 2012-06-28 | 한국기계연구원 | 미세 패턴을 가지는 세라믹 템플릿의 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 세라믹 템플릿 |
| CN103163115A (zh) * | 2011-12-11 | 2013-06-19 | 欧普图斯(苏州)光学纳米科技有限公司 | 感应物质的多层可变微结构 |
| CN104081541A (zh) * | 2011-10-17 | 2014-10-01 | Lg伊诺特有限公司 | 柔性太阳能电池设备及其制造方法 |
| CN104960312A (zh) * | 2015-06-10 | 2015-10-07 | 河北大学 | 柔性光伏组件层压用基板及柔性光伏组件的层压方法 |
| CN105869721A (zh) * | 2016-06-02 | 2016-08-17 | 南京汇金锦元光电材料有限公司 | 柔性基底界面改性的透明导电薄膜及其制备方法 |
| CN206077834U (zh) * | 2016-08-16 | 2017-04-05 | 海弗斯（深圳）先进材料科技有限公司 | 一种柔性覆铜板 |
| WO2017131201A1 (ja) * | 2016-01-29 | 2017-08-03 | 日東電工株式会社 | 光学積層体 |
| CN107527556A (zh) * | 2017-08-31 | 2017-12-29 | 上海天马微电子有限公司 | 柔性显示面板、显示装置及柔性显示面板的成型方法 |
-
2018
- 2018-01-25 CN CN201810073488.9A patent/CN108400180B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1725931A (zh) * | 2004-07-06 | 2006-01-25 | 住友电工印刷电路株式会社 | 柔性印刷基板 |
| WO2012086986A2 (ko) * | 2010-12-20 | 2012-06-28 | 한국기계연구원 | 미세 패턴을 가지는 세라믹 템플릿의 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 세라믹 템플릿 |
| CN104081541A (zh) * | 2011-10-17 | 2014-10-01 | Lg伊诺特有限公司 | 柔性太阳能电池设备及其制造方法 |
| CN103163115A (zh) * | 2011-12-11 | 2013-06-19 | 欧普图斯(苏州)光学纳米科技有限公司 | 感应物质的多层可变微结构 |
| CN104960312A (zh) * | 2015-06-10 | 2015-10-07 | 河北大学 | 柔性光伏组件层压用基板及柔性光伏组件的层压方法 |
| WO2017131201A1 (ja) * | 2016-01-29 | 2017-08-03 | 日東電工株式会社 | 光学積層体 |
| CN105869721A (zh) * | 2016-06-02 | 2016-08-17 | 南京汇金锦元光电材料有限公司 | 柔性基底界面改性的透明导电薄膜及其制备方法 |
| CN206077834U (zh) * | 2016-08-16 | 2017-04-05 | 海弗斯（深圳）先进材料科技有限公司 | 一种柔性覆铜板 |
| CN107527556A (zh) * | 2017-08-31 | 2017-12-29 | 上海天马微电子有限公司 | 柔性显示面板、显示装置及柔性显示面板的成型方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 李江江等: ""片上制备横向结构Zn0纳米线阵列紫外探测器件"", 《物理学报》 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113991019A (zh) * | 2021-12-27 | 2022-01-28 | 天津大学 | 一种增强有机半导体薄膜形貌稳定性的方法 |
| CN113991019B (zh) * | 2021-12-27 | 2022-03-11 | 天津大学 | 一种增强有机半导体薄膜形貌稳定性的方法 |
| CN115553762A (zh) * | 2022-09-26 | 2023-01-03 | 杭州柏医健康科技有限公司 | 一种纹理化的双面柔性传感器及其制备方法与应用 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108400180B (zh) | 2020-06-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102341963B1 (ko) | 광전자 및 광자 공학 응용을 위한 도핑된 귀금속 초박막 | |
| CN104617195B (zh) | 一种近红外发光二极管及其生产方法 | |
| CN105428485B (zh) | GaP表面粗化的AlGaInP基LED及其制造方法 | |
| CN105925947A (zh) | 一种纳米多层透明导电薄膜 | |
| CN108400180A (zh) | 纹理衬底增强柔性器件在机械应力下的电学稳定性 | |
| JP5584846B1 (ja) | 太陽電池およびその製造方法、ならびに太陽電池モジュール | |
| JP5127925B2 (ja) | 薄膜太陽電池およびその製造方法 | |
| Huang et al. | Novel hybrid electrode using transparent conductive oxide and silver nanoparticle mesh for silicon solar cell applications | |
| Chen et al. | Profiling light absorption enhancement in two-dimensional photonic-structured perovskite solar cells | |
| CN109778129B (zh) | 一种基于超薄金属的透明导电薄膜 | |
| Shi et al. | Strategies of perovskite mechanical stability for flexible photovoltaics | |
| KR101955671B1 (ko) | 그래핀 또는 그래핀-금속 복합체 박막의 패터닝 방법 | |
| Dauzou et al. | Mechanical integrity of hybrid indium-free electrodes for flexible devices | |
| CN114400276A (zh) | 一种高压led芯片的制作方法 | |
| KR102176740B1 (ko) | 스트레처블 전자 소자 및 스트레처블 전자 소자의 제조 방법 | |
| CN108321094A (zh) | 基于应力调控的提高垂直结构led芯片反射镜反射率的方法 | |
| JP3492213B2 (ja) | 薄膜太陽電池の製造方法 | |
| WO2007083590A1 (ja) | 積層構造、それを用いた電気回路用電極及びその製造方法 | |
| KR20210008589A (ko) | 결함 없는 그래핀 전사방법 | |
| CN108110116B (zh) | 一种发光二极管芯片及其制作方法 | |
| JP2003298086A (ja) | 太陽電池およびその製造方法 | |
| TW201042774A (en) | Thin film solar cell and manufacturing method thereof | |
| Yao et al. | Highly-conductive, transparent Ga-doped ZnO nanoneedles for improving the efficiencies of GaN light-emitting diode and Si solar cell | |
| KR101743341B1 (ko) | 투명 전극의 제조방법 | |
| CN213546346U (zh) | 一种多复合层图形化蓝宝石衬底 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |