AZO/Ni/Ag/AZO薄膜的光电性能及其稳定性研究
发布时间：2021-08-14 06:20
透明导电薄膜在各类电池、平板显示、低辐射玻璃、电磁屏蔽等领域中都有广泛的应用。随着社会的信息化势头和光电产业欣欣向荣的发展,当前产业化的掺锡氧化铟（ITO）薄膜逐渐无法满足上游需求者和下游相关产业对透明导电薄膜的大量需求和高性能要求。电介质/金属/电介质（DMD）结构多层薄膜可以将金属膜与电介质层的优势互补,且在室温下制备即可获得高光电性能,此外,得益于金属良好的延展性,DMD结构薄膜可以通过卷对卷沉积技术实现柔性大面积薄膜的制备,应用前景广泛。但是目前最常用的Ag基多层薄膜由于夹层金属Ag在长期或高温下使用时易发生扩散和氧化而使光电性能明显劣化,给实际应用带来诸多限制以及高额的更换修复成本,严重影响使用效果。因此在保证薄膜光电性能的同时提高其稳定性成为当前研究者关注的热点。针对以上问题,本文在保证光电性能的前提下,提出在AZO/Ag/AZO多层薄膜中引入薄Ni层,以使其作为阻挡层限制Ag原子的扩散和氧化,从而提高薄膜的稳定性。本文通过改变金属及电介质的厚度参数,探究结构形貌以及光电性能变化规律,得到具有最佳性能的AZO/Ni/Ag/AZO薄膜对应的各介质层厚:AZO为45nm,Ni为...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
透明导电薄膜的应用领域：(a)平板显示；(b)透明加热；(c)电磁屏蔽；(d)各类电池在太阳能电池、平板显示等领域中得到产业化应用的透明电极材料主要是掺
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-关于金属薄膜的透光性能会受到离散纳米团簇所引起LSPR的影响这方面已有大量相关研究[19-21]。Lee等[22]分别通过理论模拟与实验测试得出Ag薄膜的透过率，结果如图1-2，对比发现理论值与实际值相差较大，特别是厚度小于阈值厚度的Ag薄膜实际透过率值在500nm波长附近有一明显的下降，而理论值并未出现这一低谷峰，这一现象的产生原因即薄膜在实际生长中会出现纳米团簇与孔隙对特定波长的入射光造成强吸收和散射。图1-2理论模拟与实验测试的Ag薄膜透过率[22]电子在薄膜中的迁移受到多种散射的限制，包括声子散射（点阵振动）、表面/界面散射、晶界散射、电离杂质散射等[23]。其中，表面散射和晶界散射是金属薄膜的电学特性的主要影响因素[24]。Fuchs-Sondheimer（FS）理论和Mayadas-Shatzkes（MS）理论[25-28]是众多尺寸效应理论中最具影响力的理论。O’Connor[29]等利用FS和MS模型推导得出金属薄膜的表面电阻和厚度的理论关系曲线，并与实测值作对照，如图1-3(a)所示，结果表明：当薄膜厚度大于10nm时，方阻随厚度的增加而呈现的减小趋势不明显；当厚度小于10nm时，随膜厚的增加薄膜的方阻发生显著降低。Lee等[30]通过实验探究发现的金属薄膜方阻变化规律也符合这一趋势，如图1-3(b)所示。Ag膜小于10nm范围内导电特性大幅优化的原因是当其厚度小于阈值厚度时，分散的金属颗粒无法提供足够的导电路径。但是达到阈值厚度后，薄膜变得连续，对电子的散射明显减少，方阻Rs迅速降低。图1-3(a)Ag、Al、Au的表面电阻实测值以及FS-MS模型理论值与厚度的关系图[20]；(b)BCP
的阈值厚度是获得低电阻和高透光金属薄膜的关键。目前主要可以通过引入氧化物缓冲层、金属种子层、聚合物分子层以及掺杂等方式获得阈值厚度较低的超薄金属膜。引入氧化物缓冲层是改善金属润湿性能以制备超薄金属薄膜最普遍的方法[31]，通常以高透明度的导体或半导体作为缓冲层，如ITO、ZnO、MoO3、WO3以及ZnS等。Yun[31]对比了结晶态ZnO和非晶TiO2表面相同厚度Ag薄膜的表面形貌后发现，易结晶的ZnO与无定形的非晶态TiO2相比，具有较高的稳定性，增强了Ag的润湿效果，使得其表面的Ag团簇更容易成膜，如图1-4。图1-4Ag在多晶ZnO和非晶态TiO2上的润湿情况[31]目前随着对超薄金属膜特性的深入研究以及制备方法的逐渐成熟，其综合性能得到不断改善，在诸多应用领域展现出极大的潜力，然而关于金属薄膜的调控机制和内在作用规律还有很多有待研究探讨的地方，而且金属的消光系数高，对可见光的反射和吸收强，同时还存在质地软易磨损、暴露在空气中或在高温下容易氧化等缺点，金属薄膜的光电性能及其稳定性有待优化，甚有进一步提升的空间。1.2.2金属网格虽然超薄金属膜具有优异的电学性能，但是其应用受限于对可见光的强反射导致透光性较差的特性，由此人们考虑在高透衬底上制成网格图案的金属线，网格结构保证可见光的透过，金属线提供导电性能，由此实现高导电性和高透过率。此外，金属网格的各种图案结构设计、不同金属线宽以及周期数可以满足相应的导电性和透明性要求。在不改变透过率的情况下，金属网格的导电性还可以通过增大金属线纵向厚度来提高。Ulrich[32]首次提出二维金属网栅的等效电路模型，介绍了薄基底上简单正方形
【参考文献】：
期刊论文
[1]超薄金属透明导电膜及其应用研究进展[J]. 许君君,黄金华,盛伟,王肇肇,赵文凯,李佳,杨晔,万冬云,宋伟杰. 材料导报. 2019(11)
[2]多层复合透明导电薄膜研究进展[J]. 路万兵,蒋树刚,王佩,于威,刘啸宇,武利平,丁文革,傅广生. 科学通报. 2017(05)
[3]Ag缓冲层对ZnO:Al薄膜结构与光电性能的改善[J]. 程静云,康朝阳,宗海涛,曹国华,李明. 物理学报. 2017(02)
[4]透明导电氧化物薄膜材料研究进展[J]. 刘宏燕,颜悦,望咏林,伍建华,张官理,厉蕾. 航空材料学报. 2015(04)
[5]Ag厚度对其反射率的影响[J]. 余健,赖萌华,张保平. 科技创新与应用. 2015(16)
[6]溶胶–凝胶法制备Au-BaTiO3纳米复合薄膜及其介电性能[J]. 武英杰,王海玲,宁兴坤,王占杰,王强. 无机材料学报. 2015(02)
[7]磁控溅射技术的原理与发展[J]. 王俊,郝赛. 科技创新与应用. 2015(02)
[8]同轴电缆强电磁脉冲辐照下的终端负载响应规律[J]. 潘晓东,魏光辉,李新峰,卢新福. 高电压技术. 2012(11)
[9]透明导电薄膜的研究进展[J]. 刘晓菲,王小平,王丽军,杨灿,王子凤. 激光与光电子学进展. 2012(10)
[10]电磁脉冲参数对材料屏蔽效能影响研究[J]. 张龙,魏光辉,胡小锋,李新峰,张勇强. 微波学报. 2012(03)
博士论文
[1]铜基多层膜结构柔性透明电极的制备及应用[D]. 赵国庆.山东大学 2016
[2]光波在金属基薄膜中的传输特性及应用研究[D]. 周薇溪.复旦大学 2011
硕士论文
[1]聚合物表面紫外臭氧改性研究及座舱盖电磁屏蔽膜层的制备[D]. 陈学儒.哈尔滨工业大学 2019
[2]碳基电磁屏蔽材料的制备及其性能研究[D]. 马小惠.上海大学 2019
[3]磁控溅射法制备掺铝氧化锌透明导电薄膜及其性能的研究[D]. 张云.武汉纺织大学 2018
[4]磁控溅射制备AZO/Ag/AZO透明导电薄膜及其光电性质优化研究[D]. 李化鹏.东北师范大学 2018
[5]机载设备电磁脉冲防护方法研究[D]. 李庆颍.沈阳航空航天大学 2018
[6]磁控溅射制备ZnO/Cu/ZnO多层透明导电薄膜光电性质的研究[D]. 汪林文.四川师范大学 2017
[7]基于最优化法的TiO2/Ag/TiO2多层膜光学计算[D]. 张康.合肥工业大学 2017
[8]Al/Cr2O3复合薄膜的设计、制备及可见光与红外特性研究[D]. 李阳.国防科学技术大学 2016
[9]磁控溅射法制备柔性ZnO:Al薄膜及其光电性能研究[D]. 张惠.南京航空航天大学 2010
[10]半导体电磁屏蔽薄膜基础研究[D]. 余刚.中国建筑材料科学研究总院 2007
本文编号：3341944
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
透明导电薄膜的应用领域：(a)平板显示；(b)透明加热；(c)电磁屏蔽；(d)各类电池在太阳能电池、平板显示等领域中得到产业化应用的透明电极材料主要是掺
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-关于金属薄膜的透光性能会受到离散纳米团簇所引起LSPR的影响这方面已有大量相关研究[19-21]。Lee等[22]分别通过理论模拟与实验测试得出Ag薄膜的透过率，结果如图1-2，对比发现理论值与实际值相差较大，特别是厚度小于阈值厚度的Ag薄膜实际透过率值在500nm波长附近有一明显的下降，而理论值并未出现这一低谷峰，这一现象的产生原因即薄膜在实际生长中会出现纳米团簇与孔隙对特定波长的入射光造成强吸收和散射。图1-2理论模拟与实验测试的Ag薄膜透过率[22]电子在薄膜中的迁移受到多种散射的限制，包括声子散射（点阵振动）、表面/界面散射、晶界散射、电离杂质散射等[23]。其中，表面散射和晶界散射是金属薄膜的电学特性的主要影响因素[24]。Fuchs-Sondheimer（FS）理论和Mayadas-Shatzkes（MS）理论[25-28]是众多尺寸效应理论中最具影响力的理论。O’Connor[29]等利用FS和MS模型推导得出金属薄膜的表面电阻和厚度的理论关系曲线，并与实测值作对照，如图1-3(a)所示，结果表明：当薄膜厚度大于10nm时，方阻随厚度的增加而呈现的减小趋势不明显；当厚度小于10nm时，随膜厚的增加薄膜的方阻发生显著降低。Lee等[30]通过实验探究发现的金属薄膜方阻变化规律也符合这一趋势，如图1-3(b)所示。Ag膜小于10nm范围内导电特性大幅优化的原因是当其厚度小于阈值厚度时，分散的金属颗粒无法提供足够的导电路径。但是达到阈值厚度后，薄膜变得连续，对电子的散射明显减少，方阻Rs迅速降低。图1-3(a)Ag、Al、Au的表面电阻实测值以及FS-MS模型理论值与厚度的关系图[20]；(b)BCP
的阈值厚度是获得低电阻和高透光金属薄膜的关键。目前主要可以通过引入氧化物缓冲层、金属种子层、聚合物分子层以及掺杂等方式获得阈值厚度较低的超薄金属膜。引入氧化物缓冲层是改善金属润湿性能以制备超薄金属薄膜最普遍的方法[31]，通常以高透明度的导体或半导体作为缓冲层，如ITO、ZnO、MoO3、WO3以及ZnS等。Yun[31]对比了结晶态ZnO和非晶TiO2表面相同厚度Ag薄膜的表面形貌后发现，易结晶的ZnO与无定形的非晶态TiO2相比，具有较高的稳定性，增强了Ag的润湿效果，使得其表面的Ag团簇更容易成膜，如图1-4。图1-4Ag在多晶ZnO和非晶态TiO2上的润湿情况[31]目前随着对超薄金属膜特性的深入研究以及制备方法的逐渐成熟，其综合性能得到不断改善，在诸多应用领域展现出极大的潜力，然而关于金属薄膜的调控机制和内在作用规律还有很多有待研究探讨的地方，而且金属的消光系数高，对可见光的反射和吸收强，同时还存在质地软易磨损、暴露在空气中或在高温下容易氧化等缺点，金属薄膜的光电性能及其稳定性有待优化，甚有进一步提升的空间。1.2.2金属网格虽然超薄金属膜具有优异的电学性能，但是其应用受限于对可见光的强反射导致透光性较差的特性，由此人们考虑在高透衬底上制成网格图案的金属线，网格结构保证可见光的透过，金属线提供导电性能，由此实现高导电性和高透过率。此外，金属网格的各种图案结构设计、不同金属线宽以及周期数可以满足相应的导电性和透明性要求。在不改变透过率的情况下，金属网格的导电性还可以通过增大金属线纵向厚度来提高。Ulrich[32]首次提出二维金属网栅的等效电路模型，介绍了薄基底上简单正方形
【参考文献】：
期刊论文
[1]超薄金属透明导电膜及其应用研究进展[J]. 许君君,黄金华,盛伟,王肇肇,赵文凯,李佳,杨晔,万冬云,宋伟杰. 材料导报. 2019(11)
[2]多层复合透明导电薄膜研究进展[J]. 路万兵,蒋树刚,王佩,于威,刘啸宇,武利平,丁文革,傅广生. 科学通报. 2017(05)
[3]Ag缓冲层对ZnO:Al薄膜结构与光电性能的改善[J]. 程静云,康朝阳,宗海涛,曹国华,李明. 物理学报. 2017(02)
[4]透明导电氧化物薄膜材料研究进展[J]. 刘宏燕,颜悦,望咏林,伍建华,张官理,厉蕾. 航空材料学报. 2015(04)
[5]Ag厚度对其反射率的影响[J]. 余健,赖萌华,张保平. 科技创新与应用. 2015(16)
[6]溶胶–凝胶法制备Au-BaTiO3纳米复合薄膜及其介电性能[J]. 武英杰,王海玲,宁兴坤,王占杰,王强. 无机材料学报. 2015(02)
[7]磁控溅射技术的原理与发展[J]. 王俊,郝赛. 科技创新与应用. 2015(02)
[8]同轴电缆强电磁脉冲辐照下的终端负载响应规律[J]. 潘晓东,魏光辉,李新峰,卢新福. 高电压技术. 2012(11)
[9]透明导电薄膜的研究进展[J]. 刘晓菲,王小平,王丽军,杨灿,王子凤. 激光与光电子学进展. 2012(10)
[10]电磁脉冲参数对材料屏蔽效能影响研究[J]. 张龙,魏光辉,胡小锋,李新峰,张勇强. 微波学报. 2012(03)
博士论文
[1]铜基多层膜结构柔性透明电极的制备及应用[D]. 赵国庆.山东大学 2016
[2]光波在金属基薄膜中的传输特性及应用研究[D]. 周薇溪.复旦大学 2011
硕士论文
[1]聚合物表面紫外臭氧改性研究及座舱盖电磁屏蔽膜层的制备[D]. 陈学儒.哈尔滨工业大学 2019
[2]碳基电磁屏蔽材料的制备及其性能研究[D]. 马小惠.上海大学 2019
[3]磁控溅射法制备掺铝氧化锌透明导电薄膜及其性能的研究[D]. 张云.武汉纺织大学 2018
[4]磁控溅射制备AZO/Ag/AZO透明导电薄膜及其光电性质优化研究[D]. 李化鹏.东北师范大学 2018
[5]机载设备电磁脉冲防护方法研究[D]. 李庆颍.沈阳航空航天大学 2018
[6]磁控溅射制备ZnO/Cu/ZnO多层透明导电薄膜光电性质的研究[D]. 汪林文.四川师范大学 2017
[7]基于最优化法的TiO2/Ag/TiO2多层膜光学计算[D]. 张康.合肥工业大学 2017
[8]Al/Cr2O3复合薄膜的设计、制备及可见光与红外特性研究[D]. 李阳.国防科学技术大学 2016
[9]磁控溅射法制备柔性ZnO:Al薄膜及其光电性能研究[D]. 张惠.南京航空航天大学 2010
[10]半导体电磁屏蔽薄膜基础研究[D]. 余刚.中国建筑材料科学研究总院 2007
本文编号：3341944
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