CN105624625B - 一种提高ZnO/Ag/ZnO透明导电膜光电性能的方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高ZnO/Ag/ZnO透明导电膜光电性能的方法，在制备ZnO/Ag/ZnO透明导电多层膜过程中，当磁控溅射中间层金属Ag层时，在溅射气体氩气中通入的适量的氧气作为反应气体，所述氧气与氩气的体积比为1:100~3:100；利用氧气对Ag纳米颗粒生长过程中的诱导作用，使得生长在底层ZnO薄膜上的Ag纳米颗粒变得井然有序，有效的改善了Ag层的形貌。实现提高ZnO/Ag/ZnO透明导电多层膜透光性和导电性的目的。本发明采用室温下磁控溅射方法制备ZnO/Ag/ZnO透明导电多层膜具有较好的透光性、导电性和稳定性，可以有效的取代ITO用做有机发光二极管或太阳能电池透明电极。
Description
技术领域
本发明属于薄膜材料及薄膜光电性能领域,具体涉及一种提高薄膜透光性能和导电性能的方法。
背景技术
透明导电氧化物既是金属氧化物，又是半导体材料，不仅具有高的导电性，同时在可见光范围内具有较高的透光性，可被广泛应用于有机电致发光、有机光伏、液晶显示和场效应晶体管等光电器件领域。当今，氧化铟锡(ITO)是在光电子器件领域应用较为广泛的透明导电氧化物。但是ITO制备工艺较为复杂，制作成本较高，而且有毒。与ITO相比，ZnO/Ag/ZnO透明导电多层膜不仅价格低廉、无毒环保，而且是在室温下制备，无需加热，简化了制备工艺。这些特点使得ZnO/Ag/ZnO透明导电膜逐渐成为国内外材料领域研究的热点。目前，通过不同方法制备的ZnO/Ag/ZnO透明导电膜主要是通过优化中间Ag层的厚度来提高其透光性和导电性。虽然优化Ag层厚度可以改善Ag层连续性，但是通过研究Ag纳米颗粒的生长机理然发现，连续的Ag层仍然是由团聚在一起的岛状膜逐渐聚集在一起形成。这样的生长机理限制了多层膜性能的改善。所以通过优化Ag膜厚度所制备的ZnO/Ag/ZnO透明导电膜所具备的透光性和导电性仍然有待进一步提高。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供一种提高ZnO/Ag/ZnO透明导电膜光电性能的方法，通过在溅射中间Ag层时，在溅射气体氩气中充入适量的氧气作为反应气体，有效地改善了Ag层的形貌，实现提高ZnO/Ag/ZnO透明导电多层膜的光电性能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种提高ZnO/Ag/ZnO透明导电膜光电性能的方法，ZnO/Ag/ZnO透明导电膜采用室温磁控溅射的方法制备得到，中间Ag层是采用直流磁控溅射的方法制备，在溅射中间Ag层时，在溅射气体氩气中通入氧气作为反应气体。
所述氧气与氩气的体积比为1:100~3:100。优选为1:100~2:100，进一步优选为2:100。
所述氩气的纯度不低于99.0%，所述氧气的纯度不低于99.0%。优选为氩气的纯度99.99%，氧气的纯度为99.99%。
底层和顶层的ZnO薄膜是采用射频磁控溅射方法制备的。
所述的ZnO/Ag/ZnO透明导电膜按如下顺序制备：首先在基底上溅射底层ZnO，接着在底层ZnO上沉积Ag，最后在Ag层上沉积相同厚度的顶层ZnO。
本发明主要是利用氧气对Ag纳米颗粒生长过程的诱导作用。由于底层的ZnO是一种多缺陷的材料，通入的氧气会改善ZnO的缺陷，从而对生长在ZnO上的Ag产生一种诱导作用，有效地改善了生长在底层ZnO薄膜上的Ag层的形貌，使得Ag纳米颗粒变得井然有序，克服Ag纳米颗粒生长过程中杂乱无章、不连续的缺点。
本发明是在ZnO/Ag/ZnO透明导电多层膜结构中，当溅射中间Ag层时，在溅射气体氩气中通入适量的氧气作为反应气体，并且通过流量计控制氧气与氩气的流量比例。通入的氧气有效地改善了Ag纳米颗粒的生长过程，降低Ag层对光的吸收，而且降低了多层膜的表面电阻，实现提高ZnO/Ag/ZnO透明导电膜的透光性和导电性目的。所述的ZnO/Ag/ZnO透明导电多层膜结构，所有的膜都是在室温下采用磁控溅射方法制备，其中底层和底层的ZnO是采用射频磁控溅射方法制备，中间Ag层是采用直流磁控溅射方法制备。
整个ZnO/Ag/ZnO透明导电多层膜的制备顺序是：首先在基底上沉积ZnO,接着在ZnO上沉积Ag,最后在Ag膜上再沉积ZnO，其中底层和顶层的ZnO厚度相同。
有益效果：
本发明在溅射气体氩气中充入适量的氧气作为反应气体，有效地改善了Ag纳米颗粒的生长过程，改善了Ag层的形貌，降低Ag层对光的吸收，降低了多层膜的表面电阻，提高了ZnO/Ag/ZnO透明导电膜的透光性和导电性，可以有效的取代ITO用做有机发光二极管或太阳能电池透明电极。
附图说明
图1是本发明所述的生长机理示意图；其中：（a）没有充入氧气作为反应气体，（b）充入氧气作为反应气体。
图2是本发明所述方法在ZnO上制备Ag膜的形貌；其中：（a）没有充入氧气作为反应气体，（b）氧气与氩气比例为1:100，（c）氧气与氩气比例为2:100，（d）氧气与氩气比例为3:100。
图3是本发明所述方法制备ZnO/Ag/ZnO透明导电膜透光性。
图4是本发明所述方法制备ZnO/Ag/ZnO透明导电膜的导电性。
具体实施方法
下面结合具体实施例对本发明详加阐述。
实施例1
多层透明膜制备工艺如下：
1.基底为20mmX20mmX1mm的玻璃，溅射之前依次在去离子水、丙酮、乙醇中分别超声清洗15min，以去除衬底表面的微粒和有机污染物，最后用高纯氮气吹干放入溅射腔室内。
2.溅射腔室本底真空度抽至6 X 10-4Pa，溅射过程中充入高纯度的的氩气（99.99%）作为溅射气体。
3.靶材：ZnO靶纯度为99.9 %，Ag靶纯度为99.9 %，分别预溅射10min，以清除靶材表面的杂质和污染物，以提高ZnO和Ag薄膜的质量。
4.射频溅射ZnO: 溅射过程充入高纯度的的氩气（99.99%）作为溅射气体，室温下工作压强为2.0 Pa，使用100W的射频功率溅射底层和顶层ZnO，厚度都为40nm。
5.直流溅射Ag：溅射过程充入高纯度的的氩气作为溅射气体，使用20W的直流功率溅射Ag，厚度为10nm。
实施例2
在实施1整个制备过程中1、2、3、4保持不变。
5.直流溅射Ag：溅射过程充入高纯度的的氩气（99.99%）作为溅射气体，同时充入高纯度的氧气（99.99%）作为反应气体，通过流量计准确控制氧气与氩气流量比例为1:100，使用20W的直流功率溅射Ag，厚度为10nm。
实施例3
在实施2整个制备过程中1、2、3、4保持不变，只改变5中充入氧气的流量，使得氧气与氩气的比例为2:100。
实施例4
在实施2整个制备过程中1、2、3、4保持不变，只改变5中充入氧气的流量，使得氧气与氩气的比例为3:100。
考察实施例1-4制备得到的ZnO/Ag/ZnO透明导电膜的性能：
图1为Ag纳米颗粒在底层ZnO上的生长机理示意图，如图1所示，当在溅射中间Ag层，充入氧气作为反应气体，由于氧气的诱导作用，生长在ZnO上的Ag纳米颗粒井然有序。
图2为不同氧氩比例时，生长在底层ZnO膜上Ag膜的SEM图，SEM是使用扫描电子显微镜（S-4800, Hitachi）所得。如图2所示，在溅射Ag层过程中，如果不充入氧气作为反应气体，Ag纳米颗粒杂乱无章而且连续性较差。当充入氧气与氩气比例为1:100时，Ag层逐渐变得连续。充入氧气与氩气比例为2:100时，Ag纳米颗粒生长整齐有序而且连续性较好。充入氧气与氩气比例为3:100时，Ag层虽然连续性较好但是Ag纳米颗粒又变得杂乱无章。
图3为不同氧氩比例时，ZnO/Ag/ZnO透明导电多层膜透光性对比，透光性是使用紫外—可见分光光度计（Lambda 35, PerkinElmer）测量所得。如图3所示，在溅射Ag层过程中，充入适量氧气作为反应气体，有助于提高多层膜的透光性。其中当充入氧气与氩气比例为2:100时，多层膜的透光性最佳。
图4为不同氧氩比例时，ZnO/Ag/ZnO透明导电多层膜导电性对比，导电性是使用四探针（ST-2258A）测量所得。如图4所示，在溅射Ag层过程中，充入适量氧气作为反应气体，有助于提高多层膜的导电性。其中当充入如图3所示比例为2:100时，多层膜的导电性最好。
图3、图4中标志为0 的曲线就是没有通入氧气的数据，没有通入氧气的最大透光性为81.5%，最小电阻为12.7 Ω/sq；比例为2:100时，最大透光性为96.7%，最小电阻为6.7Ω/sq。
Claims (4)
1.一种提高ZnO/Ag/ZnO透明导电膜光电性能的方法，其特征在于，ZnO/Ag/ZnO透明导电膜采用室温磁控溅射的方法制备得到，中间Ag层是采用直流磁控溅射的方法制备，在溅射中间Ag层时，在溅射气体氩气中通入氧气作为反应气体；所述氩气的纯度不低于99.0%，所述氧气的纯度不低于99.0%；所述氧气与氩气的体积比为1:100~2:100。
2.根据权利要求1所述的提高ZnO/Ag/ZnO透明导电膜光电性能的方法，其特征在于，底层和顶层的ZnO薄膜是采用射频磁控溅射方法制备的。
3.根据权利要求1所述的提高ZnO/Ag/ZnO透明导电膜光电性能的方法，其特征在于，所述的ZnO/Ag/ZnO透明导电膜按如下顺序制备：首先在基底上溅射底层ZnO，接着在底层ZnO上沉积Ag，最后在Ag层上沉积相同厚度的顶层ZnO。
4.根据权利要求1所述的提高ZnO/Ag/ZnO透明导电膜光电性能的方法，其特征在于，所述氧气与氩气的体积比为2:100。
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20180629 |