透明導(dǎo)電薄膜的光電特性，你知多少？

光學(xué)薄膜前沿又添新成員了，在透明導(dǎo)電薄膜方向，我們的光膜幻影加入了我們的大家庭，光膜幻影，安徽合肥工業(yè)大學(xué)的研究生，研究方向：導(dǎo)電薄膜，目前光學(xué)薄膜前沿團(tuán)隊(duì)的4大骨干有來(lái)自吉林大學(xué)光學(xué)系的月莫，畢業(yè)于長(zhǎng)春理工的小凱，畢業(yè)于上海光機(jī)所的小龍，遼寧大學(xué)新聞系畢業(yè)的付冠杰，為我們的新媒體注入生命新鮮，注入力量，只為更專業(yè)的傳播和科普光學(xué)薄膜材料的知識(shí)，技術(shù)成功孵化，為中國(guó)的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合做出自己一點(diǎn)點(diǎn)的努力。

當(dāng)下，在液晶顯示器、觸摸屏、太陽(yáng)能電池、氣體傳感器、建筑用玻璃幕墻、飛機(jī)和汽車窗導(dǎo)熱玻璃等產(chǎn)品中，透明導(dǎo)電薄膜材料得到了廣泛應(yīng)用；它作為一種新型的光電薄膜，正好能把光學(xué)透明性能和導(dǎo)電性能上乘的結(jié)合在一起，未來(lái)在科學(xué)研究和產(chǎn)品應(yīng)用方面將會(huì)越來(lái)越突出其重要地位！

然而，對(duì)于這種新型透明導(dǎo)電薄膜的光電特性，你又知道多少？本文就從專業(yè)角度，對(duì)透明導(dǎo)電金屬薄膜和透明導(dǎo)電氧化物薄膜的光電特性普及一些基礎(chǔ)性知識(shí)！

按照材料組成不同，透明導(dǎo)電薄膜可分為四大類別：

透明導(dǎo)電金屬薄膜、透明導(dǎo)電氧化物薄膜、非氧化物透明導(dǎo)電化合物薄膜和導(dǎo)電性顆粒分散介質(zhì)體。

1、透明導(dǎo)電金屬薄膜

金屬薄膜的薄厚決定了其光電性能的優(yōu)良，但受現(xiàn)有工藝水平所限，其應(yīng)用范圍較為局限！

以金、銀、銅、鉑等金屬為例，這些金屬的自由載流子的濃度約為1020個(gè)/cm3，可使它們的等離子頻率落在近紫外光區(qū)，使得其在可見(jiàn)光區(qū)是不透明的。同時(shí)，金屬薄膜在可見(jiàn)光和紅外波段都具有良好的反射性。如果想要得到在可見(jiàn)光波段透明的金屬薄膜，同時(shí)保持其在紅外波段的高反射特性，就需要將金屬薄膜的厚度制備得極薄。

根據(jù)能量守恒定律，反射率、吸收率和透射率三者之和等于1，要提高薄膜的透射率就必須降低其反射率或吸收率。許多實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)金屬薄膜厚度小于20nm時(shí)，對(duì)光的反射和吸收都會(huì)減小，此時(shí)的金屬薄膜對(duì)可見(jiàn)光具有較好的透光性，如圖1為鋁薄膜在3nm、10nm和15nm在可見(jiàn)光近紅外波段的透射率曲線。為了達(dá)到產(chǎn)品對(duì)透過(guò)率的高要求，導(dǎo)電透明金屬薄膜的厚度必須控制在3～15nm之間。然而，實(shí)際制備厚度小于10nm的金屬薄膜，極易形成島狀結(jié)構(gòu)，沒(méi)法連成一片，使薄膜電阻率明顯提高,并且高低起伏的島狀結(jié)構(gòu)會(huì)引起入射光的散射，從而影響薄膜的透射率。

圖1不同厚度的鋁薄膜的透過(guò)率

圖2極薄金屬薄膜的島狀結(jié)構(gòu)圖

目前，可以采用等離子輔助等技術(shù)來(lái)減少島狀結(jié)構(gòu)的形成，但是，極薄的金屬薄膜的電阻率仍然受表面效應(yīng)和雜質(zhì)的影響。同時(shí)，大部分金屬薄膜與透明的玻璃基底之間的附著力都較差。因此，雖然從理論上金屬薄膜可以成為良好的透明導(dǎo)電薄膜，但是要制備出極薄的金屬薄膜依然受限于現(xiàn)有的工藝水平，導(dǎo)致其應(yīng)用范圍有限。

2、透明導(dǎo)電氧化物薄膜

日常許多光電產(chǎn)品中，如液晶顯示器、觸摸屏和太陽(yáng)能薄膜等，對(duì)透明度和導(dǎo)電性的要求都較高。由于優(yōu)良的光電特性和成熟的制備工藝，透明導(dǎo)電氧化物薄膜在光電子應(yīng)用中占據(jù)著主導(dǎo)地位，具有廣泛和重要的應(yīng)用前景。

透明導(dǎo)電氧化物薄膜材料是半導(dǎo)體中重要的一種，這里我們以氧化銦錫（ITO）透明導(dǎo)電薄膜為典型例子，簡(jiǎn)要介紹其光電特性和制備工藝。

ITO具有優(yōu)異的光學(xué)性能，在波長(zhǎng)550nm處，對(duì)可見(jiàn)光的透射率可高達(dá)85%以上，紅外反射率大于81%，紫外吸收率大于85%；而且具有低的電阻率，其電阻率一般在10-5～10-3Ω·cm之間，能隙寬度為Eg=3.5～4.3 eV；同時(shí)還具有高的硬度及耐磨性，且容易刻蝕成一定形狀的電極圖形等。

如圖3和圖4為ITO薄膜在液晶顯示器及電阻式觸摸屏中的應(yīng)用。

ITO薄膜的制備技術(shù)主要有真空熱蒸發(fā)、磁控濺射、化學(xué)氣相沉積、溶膠-凝膠及噴涂熱分解法等技術(shù)，其中噴涂熱分解法和溶膠-凝膠法，工藝簡(jiǎn)單和成本低廉，并適用于大面積的工業(yè)生產(chǎn)。在制備ITO薄膜過(guò)程中，沉積溫度和氧分壓對(duì)ITO薄膜電學(xué)和光學(xué)特性有較大影響。在沉積溫度方面，雖然薄膜導(dǎo)電性能隨沉積溫度升高而得到改善，但是升高不是無(wú)限的，而是存在一個(gè)臨街值，超過(guò)這個(gè)臨界值，導(dǎo)電性能會(huì)隨溫度升高而下降；另外，薄膜透射率會(huì)隨基底溫度升高而相應(yīng)提高，基底溫度要求在350以上。在氧分壓方面，一般說(shuō)高電導(dǎo)率對(duì)于氧分壓的范圍較小，但是氧分壓太小會(huì)影響薄膜的透過(guò)率，因此制備透明導(dǎo)電的ITO薄膜也存在一個(gè)臨界氧分壓。當(dāng)然，制備ITO薄膜應(yīng)該把所有可能影響ITO薄膜性能的參數(shù)考慮進(jìn)去，并進(jìn)行合理的優(yōu)化，才能制備處高質(zhì)量、滿足使用要求的ITO薄膜。

總之，不管是透明導(dǎo)電金屬薄膜還是透明導(dǎo)電氧化物薄膜，其主要難點(diǎn)在于把握好透過(guò)率和導(dǎo)電性的平衡。目前，ITO等氧化物薄膜的柔韌性和導(dǎo)電性不足等問(wèn)題，不適合制作柔性顯示器和大面積觸摸屏。隨著制備工藝的迅猛發(fā)展，新型的透明導(dǎo)電薄膜材料不斷涌現(xiàn)，如石墨烯薄膜、金屬網(wǎng)格、納米銀線、碳納米管等技術(shù)，都有望成為ITO薄膜的替代品。透明導(dǎo)電薄膜產(chǎn)業(yè)的前景廣闊，值得我們持續(xù)關(guān)注。

上海卷柔新技術(shù)光電有限公司是一家專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)光學(xué)儀器及其零配件?的高科技企業(yè)，公司成立２００５年，專業(yè)的光電鍍膜公司，公司產(chǎn)品主要涉及光學(xué)儀器及其零配件的研發(fā)和加工；光學(xué)透鏡、反射鏡、棱鏡等光學(xué)鍍膜產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，為全球客戶提供上等的產(chǎn)品和服務(wù)。

采用德國(guó)薄膜制備工藝，形成了一套具有嚴(yán)格工藝標(biāo)準(zhǔn)的閉環(huán)式流程技術(shù)制備體系，能夠制備各種超高性能光學(xué)薄膜，包括紅外薄膜、增透膜，ARcoating, 激光薄膜、特種薄膜、紫外薄膜、x射線薄膜，應(yīng)用領(lǐng)域涉及激光切割、激光焊接、激光美容、醫(yī)用激光器、紅外制導(dǎo)、面部識(shí)別、VR/AR應(yīng)用,博物館，低反射櫥窗玻璃，畫框等。