楊秀峰

【摘 要】透明導(dǎo)電薄膜屬于存在視覺(jué)層面上的透明度，也存在導(dǎo)電能力的薄膜材料，具體包含了金屬導(dǎo)電薄膜、氧化物導(dǎo)電薄膜、其他化合物導(dǎo)電薄膜等。本文主要講述當(dāng)前研究和應(yīng)用最為廣泛的透明導(dǎo)電氧化物（TCO）薄膜，介紹了了透明導(dǎo)電氧化物薄膜的特性，制備方法，應(yīng)用以及發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】透明導(dǎo)電氧化物;光電特性;制備工藝;發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類(lèi)號(hào)： TB383.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）02-0104-003

【Abstract】The transparent conductive film is a film which is electrically conductive and has a high transparency in the visible light range， and mainly has a metal conductive film， an oxide conductive film， other compound conductive film， a polymer conductive film， and a composite film conductive film. It mainly introduces the most widely studied transparent conductive oxide （TCO） films， and introduces the characteristics， preparation methods， applications and development trends of transparent conductive oxide films.

【Key words】TCO; Optical and electrical properties; Fabrication method; Development tendency

0 引言

步入二十世紀(jì)八十年代之后，材料科技蓬勃發(fā)展，而薄膜技術(shù)也隨之發(fā)展起來(lái)，無(wú)論是學(xué)術(shù)領(lǐng)域還是實(shí)踐領(lǐng)域均獲取到了較多的成果。在材料科學(xué)之中，薄膜材料和有關(guān)技術(shù)始終是研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。特別存在高導(dǎo)電性、可見(jiàn)光范圍內(nèi)的高透光性和紅外光范圍內(nèi)的高反射性等優(yōu)勢(shì)特征的透明導(dǎo)電薄膜更是受到了各個(gè)專(zhuān)家學(xué)者的重視。

以往我們意識(shí)中導(dǎo)電物質(zhì)，像金屬、石墨等均為非透明物質(zhì)，而像玻璃、水晶等透明物質(zhì)是不具備導(dǎo)電能力的。透明導(dǎo)電薄膜存在透明與導(dǎo)電此兩方面的特點(diǎn)，由此變成了特色化的薄膜功能材料，可以說(shuō)其在光點(diǎn)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域之中擁有極為廣闊的開(kāi)發(fā)潛力。自1907年開(kāi)始，Bakdeker通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出了第一種透明導(dǎo)電薄膜CdO之后，SnO2基薄膜、In2 O3基薄膜等各類(lèi)透明導(dǎo)電薄膜材料接連問(wèn)世，并得到了普遍的應(yīng)用，到目前為止已經(jīng)形成了不小的市場(chǎng)規(guī)模。

在經(jīng)過(guò)了數(shù)百年發(fā)展歷程之后，現(xiàn)階段的透明導(dǎo)電薄膜具體包含了金屬膜、金屬氧化膜、其它化合物膜等眾多類(lèi)型。本文將對(duì)透明導(dǎo)電氧化物薄膜的特性，及其制備方法與應(yīng)用領(lǐng)域的現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。

1 透明導(dǎo)電氧化物薄膜特性

透明導(dǎo)電氧化物薄膜具有以下特性：

（1）良好的導(dǎo)電性。具體就是源自于氧缺位和摻雜此兩方面因素。合理的計(jì)量、生長(zhǎng)和退火條件屬于達(dá)成氧缺位的有效措施;合理的摻雜不僅能夠強(qiáng)化導(dǎo)電率，還能夠提升薄膜的可靠性。例如ITO。TCO薄膜具備較低電阻率的特征決定性因素就是載流子的濃度，只是多晶膜的導(dǎo)電機(jī)理復(fù)雜程度相對(duì)較高，實(shí)際產(chǎn)生低電阻率的原因還需要進(jìn)行深入分析。

（2）對(duì)可見(jiàn)光的高透射率。一般而言，在遭遇可見(jiàn)光照射的情況下，只要是薄膜超出可見(jiàn)光子能量光學(xué)禁帶寬度，就可以維持相應(yīng)程度的透明度。實(shí)際透射率達(dá)到了80%-90%，除此以外，載流子本身的濃度屬于光學(xué)帶隙的主要影響因素。

（3）對(duì)光線(xiàn)具有選擇性。眾所周知，可見(jiàn)光是能夠穿過(guò)透明薄膜的，而能夠在一定程度上反射紅外光，并且其反射程度能夠高達(dá)七成。并且，在其表面氣體類(lèi)別不同和濃度出現(xiàn)明顯差異的條件下，光導(dǎo)電率也會(huì)隨之出現(xiàn)相應(yīng)的變化，并且還存在衰減效果。

就現(xiàn)階段來(lái)看，大部分透明導(dǎo)電薄膜都是n型半導(dǎo)體（自由電子濃度要超出空穴濃度的雜質(zhì)半導(dǎo)體很多），具體包含了SnO，In2O3和ZnO基三大體系和相應(yīng)的摻雜體系，只是最近幾年存在p型半導(dǎo)體特征的TCO材料也被合成出現(xiàn)了較多。

1.1 SnO2基薄膜

在1950年之后，存在硬度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特征SnO2基薄膜問(wèn)世，并且還出現(xiàn)了首個(gè)存在應(yīng)用價(jià)值的透明導(dǎo)電薄膜NESA。SnO2基透明導(dǎo)電薄膜處在可見(jiàn)光波段之中存在優(yōu)異的透光性、導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性等，能夠在玻璃、陶瓷和相應(yīng)襯底材料之上沉積，并且還存在反射紅外輻射、遮光、化學(xué)性能穩(wěn)定等相應(yīng)特征，除此以外SnO2薄膜資源豐富、性?xún)r(jià)比高且無(wú)毒等特點(diǎn)更是讓其在液晶顯示器、太陽(yáng)能電池生產(chǎn)制造等領(lǐng)域之中得到了極為普遍的應(yīng)用，尤其是節(jié)能窗等大面積使用的建筑里其優(yōu)勢(shì)更是其它同類(lèi)材料無(wú)法比擬。所以，SnO2基透明導(dǎo)電薄膜在不久以后在很大程度上替代ITO薄膜成為主流。

自始至終，獲取高電導(dǎo)率的摻雜SnO2薄膜均屬于研究熱點(diǎn)。能夠?qū)嵤诫s的元素存在Sb、P、F等，這之中具備最佳摻雜成效，技術(shù)最為成熟且應(yīng)用最為普遍的就是Sn與F，例如ATO（摻Sb的SnO2簡(jiǎn)稱(chēng)ATO）和FTO（摻F的SnO2簡(jiǎn)稱(chēng)FTO），F(xiàn)TO還具備高透光性以及耐腐蝕性等特征。

1.2 In2O3基薄膜

在1950年，In2O3基薄膜這一透明導(dǎo)電薄膜正式出現(xiàn)，結(jié)晶存在體心立方結(jié)構(gòu)，禁帶寬度是3.75～4.0 eV，直接躍遷波長(zhǎng)范圍在330至473mm內(nèi)，因而透光性較為優(yōu)異。并且結(jié)晶機(jī)構(gòu)追崇是具備氧空位的，所以自然會(huì)產(chǎn)生過(guò)剩自由電子，電子導(dǎo)電性較為優(yōu)異。當(dāng)前摻Sn的In2O3（ITO）薄膜屬于受到研究最為深入且應(yīng)用最為廣泛的透明導(dǎo)電氧化物薄膜。ITO薄膜有以下幾個(gè)特性導(dǎo)電性能好，高可見(jiàn)光透射率，高紫外吸收性，高紅外反射性，存在微波衰減性膜層硬度高、耐磨、耐化學(xué)腐蝕（氫氟酸等除外）膜層存在優(yōu)異的酸刻、光刻性能，在細(xì)微加工方面較為便利，能夠被刻蝕為各類(lèi)電極圖案。鑒于其存在以上優(yōu)良特征，ITO薄膜在平面顯示、電致變色、微波屏蔽等之中得到了廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)階段在In2O3薄膜之中使用的摻雜元素包含了Sn、W、M、Zr、Ti、Sb、F等。這之中，Sn摻雜所產(chǎn)生的薄膜（ITO）從出現(xiàn)之后，始終在TCO薄膜之中占據(jù)著顯著地位。

1.3 ZnO基薄膜

在性能方面ITO薄膜是具備優(yōu)越性，只是其所包含的稀有貴金屬銦價(jià)格相對(duì)較高，所以含量豐富、價(jià)格較低且性能優(yōu)異的氧化鋅成為研究與開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。從上世紀(jì)八十年代之后，摻雜ZnO的研究以較快的速度發(fā)展起來(lái)，并且在研究持續(xù)深入以及工藝的快速提升，在性能方面與ITO已經(jīng)相差不大，甚至還具備一定的優(yōu)勢(shì)，ZnO薄膜資源相對(duì)豐富、成本較低且無(wú)毒等均被視作ITO材料的替代者。除此以外，SnO2遭受等離子體的作用其光學(xué)特性能夠產(chǎn)生惡化問(wèn)題，導(dǎo)致其在 太陽(yáng)能電池中的充當(dāng)電極來(lái)使用會(huì)受到一定程度的局限，ZnO抗氫等離子體輻射的特征能夠有效的解決好這一問(wèn)題，由此，ZnO基透明導(dǎo)電薄膜逐漸變成了學(xué)術(shù)以及實(shí)踐領(lǐng)域所研究的重點(diǎn)所在。

現(xiàn)階段，ZnO基透明導(dǎo)電薄膜的主要研究方向就是對(duì)各類(lèi)制備方法的最優(yōu)工藝參數(shù)方面，用以得到電阻率低、透射率高、結(jié)晶質(zhì)量高等的優(yōu)質(zhì)ZnO基透明導(dǎo)電薄膜。在ZnO之中添加Ga、AI、In或F離子能使得ZnO薄膜本身的光學(xué)以及電學(xué)性能得以被優(yōu)化，這之中摻鋁ZnO（ZAO）所進(jìn)行的研究極為深入，現(xiàn)階段在薄膜太陽(yáng)能電池中已經(jīng)有了較為顯著的應(yīng)用。

1.4 p型透明導(dǎo)電膜

較之于n型TCO薄膜而言，p型TCO材料方面的研究已經(jīng)在較長(zhǎng)一段時(shí)間里并未獲取到顯著的成果，這就是由于電阻率無(wú)法得到有效控制，導(dǎo)致應(yīng)用生產(chǎn)受到不小的局限。P型TCO材料較為緊缺源自于其制備難度大，在氧化物之中，氧離子電負(fù)性顯著存在電負(fù)性，價(jià)帶邊緣就會(huì)使得空穴面臨較大局域化的問(wèn)題。想要去除氧原子所帶來(lái)的限制，并使得空穴以載流子的角色處在晶體之中自由的運(yùn)動(dòng)，就必須要具備強(qiáng)大能量的刺激作用，并進(jìn)行導(dǎo)電。到1997年，Kawazoe等利用全新材料設(shè)計(jì)概念，第一次制備得出通鐵礦結(jié)構(gòu)的CuAlO2透明薄膜，并且室溫之下表現(xiàn)出明顯的p型導(dǎo)電性。其后，各類(lèi)p型薄膜相繼出現(xiàn)，如ZnO：N，NiO：Li，In2O3：Ag2O等。

2 透明導(dǎo)電氧化物薄膜的制備方法

制備透明導(dǎo)電氧化物薄膜的辦法相對(duì)較為豐富且依舊在不斷發(fā)展之中，全部應(yīng)用在半導(dǎo)體材料制備的方式都可以應(yīng)用在透明導(dǎo)電氧化物薄膜的制備上面。這之中較為普遍的辦法存在磁控濺射、脈沖激光沉積等。

2.1 磁控濺射法

磁控濺射法在現(xiàn)今進(jìn)行透明導(dǎo)電薄膜的制備過(guò)程中應(yīng)用十分普遍。其基本原理就是采取Ar-O2混合氣體中的等離子體，受到電場(chǎng)以及交變磁場(chǎng)的作用，會(huì)受到加速的高能粒子對(duì)靶材表面進(jìn)行轟擊，在產(chǎn)生能量交換以后，靶材表面的原子從原晶格之中逸出，轉(zhuǎn)移至基體表面產(chǎn)生膜。其特征就是成膜速度快、基片溫度低，能夠滿(mǎn)足大面積鍍膜的要求。不足之處就是實(shí)際需要的設(shè)備復(fù)雜程度高、設(shè)備成本大，能夠?qū)@一方面產(chǎn)生影響的因素也相對(duì)較多。對(duì)透明導(dǎo)電薄膜透明以及導(dǎo)電此兩個(gè)指標(biāo)產(chǎn)生影響的因素相對(duì)較多，就像濺射電壓、沉積速率、基片溫度等。磁控濺射技術(shù)來(lái)對(duì)透明導(dǎo)電薄膜進(jìn)行制備必須要盡量維持低電壓的濺射，磁控濺射等離子體之中所包含的負(fù)離子絕大多數(shù)均為氧離子，在陽(yáng)極電壓的持續(xù)作用下，其速度會(huì)持續(xù)提升，且維持和電壓的正相關(guān)關(guān)系，往往可以較為容易的入射到基片表面，這樣就可以使得透明導(dǎo)電薄膜在離子不斷轟擊之下而產(chǎn)生損傷，這樣薄膜電阻也會(huì)隨之升高。

2.2 脈沖激光沉積（PLD）

脈沖激光沉積（PLD）工藝在薄膜制備過(guò)程中之中使用較為廣泛，具體特征有：具備較強(qiáng)可重復(fù)性、計(jì)量精準(zhǔn)、操作簡(jiǎn)單，能夠有效避免實(shí)際沉積之時(shí)基片以及薄膜可能遭遇的損傷，在溫度控制方面要求也不高。并且，薄膜可以與靶材在保持方面系統(tǒng)。所以，PLD法制備透明導(dǎo)電薄膜也成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。所采取的發(fā)射激光類(lèi)型也倆債的較多，如紫外激光、固體激光等，這之中波長(zhǎng)是248mm的紫外準(zhǔn)分析激光應(yīng)用最為普遍。依照實(shí)際靶材的差異，透明導(dǎo)電薄膜的PLD法能夠劃分成兩種類(lèi)型，其一就是采取氧化物陶瓷的靶材;其二就是通過(guò)氧的反應(yīng)氣氛來(lái)采取多靶沉積。就像ZAO薄膜的制備，通常能夠選擇在其中添加部分的氧化鋁的氧化鋅靶材。只是所制備的摻加了氧化鋁的氧化鋅陶瓷靶材復(fù)雜程度相對(duì)較高，也能夠的應(yīng)用雙靶在反應(yīng)性氧氣氣氛里采取PLD沉積法進(jìn)行制備。

2.3 溶膠-凝膠工藝

溶膠-凝膠工藝屬于對(duì)多元氧化物薄膜進(jìn)行制備的有效方式。浸涂法以及旋涂法屬于其工藝類(lèi)型上的主要區(qū)分。對(duì)于浸涂法而言，其具體就是將襯底放入到擁有金屬離子的溶液之中，以恒定速度拿出，和空氣產(chǎn)生水解以及聚合反應(yīng)以后，再加之熱處理而獲取到相應(yīng)的薄膜。旋涂法即為采取把溶液滴到襯底上的辦法，通過(guò)旋轉(zhuǎn)作用而獲取到濕膜。溶液-凝膠的辦法在薄膜組分方面控制較為容易的，對(duì)與摻雜的控制能夠精確到分子水平，對(duì)比較適用于精度要求高的薄膜制備過(guò)程。并且其成本低、自由度高。而在采取溶膠-凝膠工藝來(lái)生產(chǎn)TCO薄膜，就能夠使得生產(chǎn)成本得以明顯減小，在應(yīng)用方面存在相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)。實(shí)踐顯示，選擇這一工藝在玻璃兩面所產(chǎn)生的TCO薄膜所具備的熱鏡性能要比傳統(tǒng)鍍銀薄膜更為優(yōu)異。Tang W等選擇溶膠-凝膠工藝所制備得到的電阻率是10-4Ω·cm、透射率達(dá)90%的ZAO薄膜，能夠達(dá)成工業(yè)化生產(chǎn)的需求。旋轉(zhuǎn)涂覆法進(jìn)行ITO薄膜制備的工藝流程如圖1。

2.4 噴射熱分解法

噴射熱分解法屬于在太陽(yáng)能透明電極制備過(guò)程中而不斷發(fā)展得到的薄膜制備方法。較之于常壓/低壓、磁控濺射、溶膠-凝膠技術(shù)而言，這一方法對(duì)于設(shè)備要求不高、沉積速率高、反應(yīng)物成本低。Ramakrishna R等選擇了噴射熱分解法來(lái)對(duì)存在高取向、高電導(dǎo)率的ZnO：Ca透明電氧化物薄膜的，摻雜了Ca的原子分?jǐn)?shù)是5%，基片溫度處在350℃以下，能夠得到電阻率是7.6×10-4Ω·cm、透光率>85%的ZnO：Ca薄膜。只是選擇熱解反應(yīng)制備SnO2：F，在沉積溫度超過(guò)410℃的情況下，膜里往往會(huì)產(chǎn)生乳白色的霧，這樣薄膜透過(guò)率往往會(huì)過(guò)低，導(dǎo)致實(shí)際使用成效受到影響。

3 透明導(dǎo)電氧化物薄膜的應(yīng)用

透明導(dǎo)電氧化薄膜當(dāng)前關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景包含了平面液晶顯示（LCD）、電致發(fā)光顯示（ELD）、電致彩色顯示（ECD）等。

（1）TCO對(duì)光波的選擇性能夠用于制作熱反射鏡，應(yīng)用在寒冷區(qū)域的建筑玻璃窗進(jìn)而發(fā)揮出熱屏蔽的作用，降低能耗。應(yīng)用在透明表面發(fā)熱器，能夠使用在防霧攝影機(jī)鏡頭、特殊用途眼睛、汽車(chē)等上的玻璃表面來(lái)產(chǎn)生防霧除霜玻璃。

（2）TCO薄膜對(duì)微波的衰減性，能夠應(yīng)用在電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)房、雷達(dá)屏蔽保護(hù)區(qū)等對(duì)電磁波屏蔽要有要求的區(qū)域，來(lái)避免外部環(huán)境中的電磁波對(duì)電子設(shè)備所造成損壞與干擾。

（3）TCO薄膜光電導(dǎo)跟隨其表面所吸附的氣體類(lèi)型以及濃度會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)改變的特征，能夠應(yīng)用在表面型氣敏器件的制作方面。

（4）柔性襯底TCO薄膜，能夠應(yīng)用在柔性發(fā)光器件、塑料液晶顯示器、大鵬保溫材料等方面。

4 透明導(dǎo)電氧化物薄膜的發(fā)展趨勢(shì)

在應(yīng)用范圍持續(xù)擴(kuò)張的背景下，面向TCO薄膜的物理性質(zhì)以及化學(xué)性質(zhì)有了更高的標(biāo)準(zhǔn)。提升薄膜透光率，持續(xù)減小其電阻率與制備成本，推動(dòng)柔性襯底TCO薄膜的發(fā)展，合成更為豐富的存在特殊應(yīng)用價(jià)值的多元化化合物TCO薄膜，提高并尋找更加符合現(xiàn)代化發(fā)展的制備方法是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

（1）提升可見(jiàn)光透過(guò)率，降低電阻率? 對(duì)于平面顯示以及太陽(yáng)能電池等相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域之中，必須要持續(xù)提升薄膜可見(jiàn)光率并減小薄膜電阻率來(lái)提升TCO薄膜性能。確保工藝技術(shù)以及參數(shù)優(yōu)化的條件下，利用提升TCO薄膜遷移率來(lái)使得薄膜電阻率得以減小。

（2）柔性襯底? 雖然柔性襯底上進(jìn)行透明導(dǎo)電膜的制備能夠維持和硬質(zhì)襯底制備過(guò)程中一致的光點(diǎn)特性，只是有機(jī)柔性襯底所存在的最大缺陷就是對(duì)高溫的耐受性非常差，其就會(huì)使得薄膜的沉積遭遇不小的難度，并且薄膜附著力也有所欠缺。所以，選取適宜的有機(jī)薄膜襯底以及制備工藝屬于將來(lái)發(fā)展的主要方向，制造出成本低、紅外反射率高的TCO薄膜會(huì)成為研究的關(guān)鍵內(nèi)容。

（3）制備方法? 薄膜的結(jié)晶取向、表面平整度、導(dǎo)電性等均會(huì)對(duì)透明導(dǎo)電氧化物薄膜的用途產(chǎn)生影響，這部分薄膜特性和制備過(guò)程里的工藝參數(shù)存在明顯關(guān)聯(lián)。所以，可以提升薄膜性能、減小反應(yīng)溫度、提升控制精準(zhǔn)以及滿(mǎn)足集成化要求的TCO薄膜制備方法屬于將來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

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