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柔性衬底上AZO薄膜性能优化及其机械应变行为研究认领

被引量： 2

作者：

孙飞

学位授予单位：

东北大学

摘要：

通过大面积卷对卷工艺生产的AZO薄膜(ZnO:Al)具有质量轻,资源丰富,化学性质稳定,和成本低廉等优点,在薄膜太阳能电池,柔性电子显示器,柔性压电微型发电机和柔性传感器等众多领域具有广泛地应用前景。然而以有机聚合物为主的柔性衬底往往不耐高温,这极大的影响了高质量AZO薄膜的生长。此外,柔性AZO薄膜在实际生产使用中往往受到拉伸、弯折等应变而失效,不利于AZO薄膜的大面积低成本应用。因此,如何在柔性衬底上制备出光电性良好,且具有一定耐拉伸、耐弯折性的AZO薄膜,成为当下柔性电子领域的研究热点。本课题从优化柔性AZO透明导电薄膜光电性能和改善薄膜机械应变耐受性两方面展开研究。首先采用正交实验方案L9(34),探究多因素多水平薄膜沉积工艺对薄膜性能的影响,并引入信噪比的相关理论优化AZO薄膜制备工艺,降低其变异性,改善工艺的质量。研究表明,溅射时间对方块电阻(58.3%的贡献)与光学透射率(49.1%的贡献)均具有显着影响。采用灰色关联度分析方法进行多目标优化,并考虑溅射时间这一显著因素影响,获得最优工艺参数(溅射功率100W、溅射压强1.0Pa、溅射时间20min、衬底温度20℃)。为减少由于薄膜与柔性衬底间晶格适配度低而造成的薄膜缺陷,在柔性衬底与AZO薄膜之间引入含铝缓冲层以改善AZO薄膜性能。研究结果表明,Al缓冲层的引入使AZO薄膜方阻明显下降,但Al缓冲层的厚度对AZO薄膜光学透过率的非常敏感。而Al2O3缓冲层可以电离出部分Al3+代替Zn2+,细化AZO薄膜晶粒,优化AZO薄膜的性能。此外,本文探究不同H2/Ar比条件下,氢掺杂对AZO薄膜性能的影响,研究表明,适量的氢能够刻蚀薄膜中的弱键而改善薄膜缺陷,近一步优化AZO薄膜的光电性能。同时,鉴于柔性AZO透明导电薄膜在生产使用过程中往往受到拉伸和反复弯折等变形的作用而失效,为改善AZO薄膜的可靠性,本文在优化的溅射工艺条件下探究缓冲层的引入对薄膜的屈服强度与抗拉强度的影响。研究表明随着缓冲层的引入,AZO薄膜的抗拉伸强度与屈服强度明显增加,然而薄膜所承受极限应变逐渐减小。此外,本文采用一般全因子试验设计,系统地研究机械弯折应变对薄膜性能的影响。研究表明,弯折半径和弯折方向对AZO薄膜电学性能有着影响显著,而缓冲层的引入和弯折方向之间也存在一定的相互作用影响薄膜性能。对于反向弯折,缓冲层在一定弯折应变范围内改善了薄膜的耐反向弯折能力。而对于正向弯折,缓冲层可能优先AZO薄膜产生微裂纹,加速薄膜弯折裂纹的扩展,进而导致薄膜方阻增加。此外,柔性AZO薄膜在多次循环弯折时,薄膜方阻性能变化对弯折应变更加敏感,而且相同弯折条件下,正向弯折比反向弯折具有更好的可靠性。对于反向弯折,Al2O3缓冲层的引入是使膜层在一定应变范围内薄膜方块电阻变化率百分比明显减小,缓冲层在微裂纹发展成为主裂纹之后都起到了很好的限制作用,能够改善薄膜机械耐受性。综上所述,本文首先从优化具有多因素多水平的沉积工艺、引入缓冲层,进行氢掺杂等方面展开研究,成功在柔性PET衬底上沉积光电性能良好且均匀连续的AZO薄膜。当柔性AZO薄膜光电性能已达到工业应用标准后,又围绕柔性AZO薄膜在机械应变下的失效行为展开研究,改善高质量AZO薄膜的机械可靠性,为柔性AZO薄膜的大面积应用提供支撑。

摘要译文

关键词：

AZO薄膜; 正交实验; 氧化铝缓冲层; 氢掺杂; 耐弯折特性

学位年度：

2018

学位类型：

硕士

学科专业：

流体机械及工程

导师：

刘坤

中图分类号：

TB383.2;TB383[特种结构材料⑨]

学科分类号：

080501[材料学];1406[纳米科学与工程]

D O I：

10.27007/d.cnki.gdbeu.2018.002976