CN109273169A - 一种镓基透明导电薄膜及其制备方法、电子器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种镓基透明导电薄膜及其制备方法、电子器件，涉及材料技术领域。本发明提供的镓基透明导电薄膜的制备方法包括：步骤S1、对液态镓进行加热搅拌，使所述液态镓部分氧化；步骤S2、将部分氧化的所述液态镓转移至基底上，形成粗糙的薄膜；步骤S3、对所述粗糙的薄膜进行处理，得到均匀的薄膜；步骤S4、对所述均匀的薄膜进行热处理，并将热处理后的薄膜冷却至室温，得到镓基透明导电薄膜。本发明的技术方案能够提供一种简单的透明导电薄膜的制备方法，有利于透明导电薄膜的大规模使用。

Description

一种镓基透明导电薄膜及其制备方法、电子器件
技术领域
本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种镓基透明导电薄膜及其制备方法、电子器件。
背景技术
透明导电薄膜因其同时具有透明和导电两种特性，已经被越来越多地应用于各种各样的重要领域，如液晶显示器，太阳能电池和有机发光器件等。氧化铟、氧化锌和氧化锡等金属氧化物常用来制造透明导电薄膜。现有技术中透明导电薄膜的制备方法主要包括反应电子束蒸发、磁控溅射蒸发、化学气相沉积、喷雾降解、脉冲激光沉积和溶胶-凝胶法，以上各制备方法均比较复杂，另外，纯金属氧化物制作的透明导电薄膜中载体浓度低，电阻率高，还需要通过掺杂来降低透明导电薄膜的电阻率，进一步增加了透明导电薄膜的制备方法的复杂程度，严重制约了透明导电薄膜的大规模使用。
发明内容
本发明提供一种镓基透明导电薄膜及其制备方法、电子器件，可以提供一种简单的透明导电薄膜的制备方法，有利于透明导电薄膜的大规模使用。
第一方面，本发明提供一种镓基透明导电薄膜的制备方法，采用如下技术方案：
所述镓基透明导电薄膜的制备方法包括：
步骤S1、对液态镓进行加热搅拌，使所述液态镓部分氧化；
步骤S2、将部分氧化的所述液态镓转移至基底上，形成粗糙的薄膜；
步骤S3、对所述粗糙的薄膜进行处理，得到均匀的薄膜；
步骤S4、对所述均匀的薄膜进行热处理，并将热处理后的薄膜冷却至室温，得到镓基透明导电薄膜。
可选地，在所述步骤S1中，加热温度为30～50℃，搅拌时间为10～30min，搅拌速率为100～500r/min。
可选地，在所述步骤S3中，使用滚筒将所述粗糙的薄膜涂抹均匀，得到所述均匀的薄膜。
可选地，在所述步骤S4中，热处理温度为300～500℃，热处理时间为30～60min。
可选地，所述镓基透明导电薄膜的制备方法还包括：在所述步骤S1之前，使用碱溶液去除液态镓中的氧化物。
可选地，所述碱溶液为质量浓度为30％的氢氧化钠溶液。
第二方面，本发明提供一种镓基透明导电薄膜，采用如下技术方案：
所述镓基透明导电薄膜使用以上任一项所述的制备方法制备所得。
可选地，所述镓基透明导电薄膜的厚度为2～4微米。
第三方面，本发明提供一种电子器件，采用如下技术方案：
所述电子器件包括透明电极，所述透明电极为以上任一所述的镓基透明导电薄膜。
可选地，所述电子器件为液晶显示器、太阳能电池或者有机发光器件。
本发明提供了一种镓基透明导电薄膜及其制备方法、电子器件，该镓基透明导电薄膜的制备方法包括：步骤S1、对液态镓进行加热搅拌，使液态镓部分氧化；步骤S2、将部分氧化的液态镓转移至基底上，形成粗糙的薄膜；步骤S3、对粗糙的薄膜进行处理，得到均匀的薄膜；步骤S4、对均匀的薄膜进行热处理，并将热处理后的薄膜冷却至室温，得到镓基透明导电薄膜。因此，使用以上所述的制备方法制备镓基透明导电薄膜的过程简单，有利于透明导电薄膜的大规模使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的镓基透明导电薄膜的制备方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的镓基透明导电薄膜的制备过程的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下本发明实施例中的各技术特征均可以相互结合。
本发明实施例提供一种镓基透明导电薄膜的制备方法，具体地，如图1和图2所示，图1为本发明实施例提供的制备方法的镓基透明导电薄膜的流程图，图2为本发明实施例提供的镓基透明导电薄膜的制备过程的示意图，该镓基透明导电薄膜的制备方法包括：
步骤S1、对液态镓1进行加热搅拌，使液态镓1部分氧化；
其中，对液态镓1进行加热搅拌，使液态镓1部分氧化后，可以提高液态镓1的粘度，并改善液态镓1对基底的润湿性，有利于在基底上形成镓基透明导电薄膜。但液态镓1的氧化程度不应过高，以避免液态镓1的粘度太大，不利于在基底上形成均匀的薄膜，且以使得镓基透明导电薄膜的电阻较小(氧化物具有较大电阻)。可选地，液态镓1的氧化程度(即液态镓中的氧化物的质量百分比)小于5％，例如，氧化程度为0.02％～2％。
发明人发现，加热温度、搅拌速率和搅拌时间等因素均会对液态镓1的氧化程度产生影响，进而对上述粘度、润湿性和电阻产生影响。基于此，本发明实施例中选择，在步骤S1中，将液态镓1加热至30～50℃(例如40℃)，以100～500r/min的搅拌速率(例如200r/min)搅拌10～30min(例如20min)，以使得经步骤S1之后，液态镓1具有合适的氧化程度。
另外，发明人发现，镓是一种化学性质较为活泼的金属，其不可避免地会与空气接触而发生氧化，即经步骤S1处理之前的液态镓已经具有一定的氧化程度。基于此，本发明实施例中选择，镓基透明导电薄膜的制备方法还包括：在步骤S1之前，使用碱溶液去除液态镓中的氧化物，以使得经步骤S1之后液态镓中的氧化物均为步骤S1中生成的氧化物，有助于提高液态镓的氧化程度的可控性。
可选地，选用的碱溶液为质量浓度为30％的氢氧化钠溶液，以确保氢氧化钠溶液的浓度合适，不仅可以有效去除液态镓中的氧化物，还不会与镓金属发生化学反应。
示例性地，使用碱溶液去除液态镓中的氧化物的过程如下：取40g的液态镓置于烧杯中，再缓慢加入10ml浓度为30％的氢氧化钠溶液，将烧杯放于磁力搅拌器上搅拌2h，以去除液态镓表面的氧化物。反应完全后，烧杯中的液态镓存于烧杯底部，而溶液则存于烧杯上部，二者明显分层，将液态镓分离即可。
步骤S2、将部分氧化的液态镓2转移至基底3上，形成粗糙的薄膜4。
以上基底3的材质可以为玻璃、金属、塑料、以及制作有其他膜层的电子器件等，本发明实施例对此不进行限定。示例性地，以上基底3可以为尺寸为75mm*25mm*1mm的玻璃片。
在步骤S2中，可以通过刷子等将部分氧化的液态镓2转移至基底3，也可以通过喷涂等方式将部分氧化的液态镓喷涂在基底3上。步骤S2中形成的薄膜4之所以粗糙是因为不同位置的薄膜的厚度不一致，且薄膜上具有一定的固体颗粒。
步骤S3、对粗糙的薄膜4进行处理，得到均匀的薄膜4；
可选地，在步骤S3中，使用滚筒将粗糙的薄膜4涂抹均匀，在滚筒滚过后，大部分固体颗粒可以被移除，且不同位置的厚度变得一致，进而可以得到均匀的薄膜4。当然也可以采用其他方式，本发明实施例对此不进行限定。
在步骤S3中得到的均匀的薄膜4中几乎没有孔洞，反射光线的能力很强，透光率很差，就像一面镜子。
步骤S4、对均匀的薄膜4进行热处理，并将热处理后的薄膜冷却至室温，得到镓基透明导电薄膜5。
热处理过程中，若热处理温度过高和/或热处理时间过长，则镓基透明导电薄膜5的氧化程度过大，导电性较差，若热处理温度过低和/或热处理时间过短，则镓基透明导电薄膜5的透光率较低，基于此，本发明实施例中选择，在步骤S4中，热处理温度为300～500℃(例如400℃)，热处理时间为30～60min(例如40min)，以使镓基透明导电薄膜5具有合适的导电性和透光率。
其中，热处理温度和热处理时间对镓基透明导电薄膜5的性能的影响主要由在热处理过程中薄膜的结构发生的变化决定。具体地，热处理过程中，原本几乎没有孔洞的薄膜4中形成了许多孔洞，进而使得薄膜4反射光线的能力减弱，透光率增强，热处理后的薄膜冷却至室温后即可得到镓基透明导电薄膜5，即镓基透明导电薄膜5是一种网状结构形式的多孔薄膜。
由于在热处理过程中，薄膜内部形成许多孔洞，因此，最后得到的镓基透明导电薄膜5的厚度应该略大于步骤S3中得到的均匀的薄膜4的厚度，例如，步骤S3中得到的均匀的薄膜4的厚度为2.5微米，最后得到的镓基透明导电薄膜5的厚度为2.8微米。
另外，以基底3为玻璃片为例，发明人在对其上的镓基透明导电薄膜5的成分进行EDS分析发现：镓基透明导电薄膜5中的网状结构由四种元素组成：镓、氧、碳和硅，其中，氧的数量很少，这表明在该网状结构中，大部分镓元素以镓金属的形式存在而非镓氧化物，这也保证了该镓基透明导电薄膜5具有高导电性；孔洞内则由三个元素组成：氧、硅和镓，且氧的含量与硅的含量成正比，镓的含量很少，也就是说，孔洞内的大部分氧元素和硅元素都来自基底3。
得到的镓基透明导电薄膜5具有以上所述的结构的原因在于，液态镓的粘度、液态镓的表面张力和液态镓的氧化程度三个因素综合作用的结果。具体地，当加热时，液态镓的表面会形成一层薄薄的氧化物薄膜，该层氧化物薄膜可以保护底层的镓免受进一步氧化，对于底层镓，当热处理的温度从30℃上升到400℃时，液态镓的粘度将从0.002037下降到0.0008858Pa.s，降低近1.3倍，相反液态镓的表面张力基本保持不变，仅从722.5mN/m下降到692mN/m，因此，粘度的降低可能是网状结构形成的主要原因，当加热时，表面张力几乎不变，粘度降低，进而导致薄膜收缩，从而在薄膜中出现孔洞，最终形成网状结构。
另外，该镓基透明导电薄膜5的电阻可以计算为R＝ρ×l/s＝ρ×l/(d×w)＝Rsq×l/w，因此，Rsq＝ρ/d，其中，R是电阻，ρ是电阻率，s是横截面积，Rsq是薄膜电阻，l、d和w分别是薄膜的长度、厚度和宽度。以基底3为尺寸为75mm*25mm*1mm的玻璃片为例，其上的镓基透明导电薄膜5的厚度为2.8微米时，其薄膜电阻Rsq为16.17Ω/sq。该值大于步骤S3中得到的均匀的薄膜4的薄膜电阻，具体原因可以包括以下两个方面：一方面，当加热时，镓基透明导电薄膜5的氧化程度升高，由于镓的氧化物是不良导电物，因此，镓基透明导电薄膜5的电阻率ρ升高，进而使得薄膜电阻升高；另一方面，当加热时，薄膜的收缩会减小薄膜的厚度d，进而使得薄膜电阻升高。
另外，仍然以基底3为尺寸为75mm*25mm*1mm的玻璃片，其上的镓基透明导电薄膜5的厚度为2.8微米为例，该镓基透明导电薄膜5在可见光波长范围内具有47％左右的透光率。
此外，本发明实施例还提供了一种镓基透明导电薄膜，该镓基透明导电薄膜使用以上任一项所述的制备方法制备所得。可选地，所述镓基透明导电薄膜的厚度为2～4微米，例如2.8微米。
此外，本发明实施例还提供了一种电子器件，该电子器件包括透明电极，所述透明电极为以上任一所述的镓基透明导电薄膜。
可选地，该电子器件为液晶显示器、太阳能电池或者有机发光器件。
需要说明的是，镓基透明导电薄膜的制备方法的相关内容均适用于以上所述的镓基透明导电薄膜，以及电子器件，此处不再进行赘述。
本发明实施例提供了一种镓基透明导电薄膜及其制备方法、电子器件，该镓基透明导电薄膜的制备方法包括：步骤S1、对液态镓进行加热搅拌，使液态镓部分氧化；步骤S2、将部分氧化的液态镓转移至基底上，形成粗糙的薄膜；步骤S3、对粗糙的薄膜进行处理，得到均匀的薄膜；步骤S4、对均匀的薄膜进行热处理，将热处理后的薄膜冷却至室温，得到镓基透明导电薄膜。因此，使用以上所述的制备方法制备镓基透明导电薄膜的过程简单，有利于透明导电薄膜的大规模使用。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种镓基透明导电薄膜的制备方法，其特征在于，包括：
步骤S1、对液态镓进行加热搅拌，使所述液态镓部分氧化；
步骤S2、将部分氧化的所述液态镓转移至基底上，形成粗糙的薄膜；
步骤S3、对所述粗糙的薄膜进行处理，得到均匀的薄膜；
步骤S4、对所述均匀的薄膜进行热处理，并将热处理后的薄膜冷却至室温，得到镓基透明导电薄膜。
2.根据权利要求1所述的镓基透明导电薄膜的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1中，加热温度为30～50℃，搅拌时间为10～30min，搅拌速率为100～500r/min。
3.根据权利要求1所述的镓基透明导电薄膜的制备方法，其特征在于，在所述步骤S3中，使用滚筒将所述粗糙的薄膜涂抹均匀，得到所述均匀的薄膜。
4.根据权利要求1所述的镓基透明导电薄膜的制备方法，其特征在于，在所述步骤S4中，热处理温度为300～500℃，热处理时间为30～60min。
5.根据权利要求1所述的镓基透明导电薄膜的制备方法，其特征在于，还包括：在所述步骤S1之前，使用碱溶液去除液态镓中的氧化物。
6.根据权利要求1所述的镓基透明导电薄膜的制备方法，其特征在于，所述碱溶液为质量浓度为30％的氢氧化钠溶液。
7.一种镓基透明导电薄膜，其特征在于，使用如权利要求1～6任一项所述的制备方法制备所得。
8.根据权利要求7所述的镓基透明导电薄膜，其特征在于，所述镓基透明导电薄膜的厚度为2～4微米。
9.一种电子器件，其特征在于，包括透明电极，所述透明电极为如权利要求7或8所述的镓基透明导电薄膜。
10.根据权利要求9所述的电子器件，其特征在于，所述电子器件为液晶显示器、太阳能电池或者有机发光器件。
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