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高强透明导电ITO薄膜制备及机理研究认领

作者：

陈秋丽

学位授予单位：

电子科技大学

摘要：

座舱透明件作为现代先进战斗机中极其重要的功能结构件,不仅需确保飞行员视野清晰,还需具备高强度、耐环境和隐身等功能。氧化铟锡（Indium tin oxide,ITO）薄膜具有高导电、高可见光透过率及强红外反射等优点,是目前较为理想的座舱电磁屏蔽材料。然而,ITO薄膜与有机衬底界面匹配差会出现薄膜附着力差、耐热应力弱的问题;另外还存在高性能ITO薄膜制备工艺与有机衬底不兼容的问题,导致其力学和光电性能均无法满足实际的应用需求。基于此背景,本论文分别从无机-有机复合底涂层的引入,新的薄膜退火方法的探索以及膜层体系的设计三个方面,对ITO薄膜的力学和光电性能展开了全面调控的系统研究。本论文主要研究内容及结论如下: 1.引入了比表面积大、强度高且热稳定性好的SiO2纳米微球,将其与可见光透过率高的PMMA复合,制备了兼具高可见光透过率和出色热稳定性的无机-有机复合底涂层材料,解决了基于有机玻璃衬底ITO薄膜附着力差的难题。结果表明,相比于纯PMMA,无机相SiO2的引入使得SiO2-PMMA复合材料的热分解温度明显向高温方向移动,玻璃化转变温度增加,表现出增强的热稳定性;同时不影响可见光透明度(平均可见光透过率(Tavg)为86.09%,雾度值为0.92%)。此外,经-55℃和120℃高低温循环热冲击10次或100℃保温4h后,基于有机玻璃衬底SiO2-PMMA/ITO薄膜表面仍光滑致密,表现出增强的耐热冲击和附着力,这对座舱透明件在可靠性、耐用性等方面的探索具有重要的参考意义和实际应用价值。 2.提出了一种操作简单、成本低且晶化速率快的脉冲电流退火方法,实现了ITO薄膜的亚秒晶化,同时仿真结果表明该方法能降低热量传递对衬底的损伤,用于薄膜选择性局部热处理,有望突破有机衬底上透明导电薄膜晶化难的问题。系统研究了基于无机玻璃衬底ITO薄膜的退火方法。结果表明,相比于传统退火技术,当脉冲宽度（t1）为0.2s时,ITO薄膜已经晶化。且随着t1的增加,ITO薄膜的载流子浓度（ne）逐渐增加,光学带隙拓宽,表现出增强的光电性能,这一现象主要归因于其较快的晶化速率。当t1=1.5s时,ITO薄膜的电阻率（ρ）最低为1.38×10-4WΩcm,Tavg（400～800 nm）高达86.69%,具有最佳的品质因数（FoM）为293.61,这比制备态ITO薄膜的FoM值（29.27）高约一个数量级。此外,基于COMSOL传热仿真结果,表明了脉冲电流退火方法可用于薄膜选择性局部热处理,且施加短时高能脉冲电流可极大提高薄膜晶化速率,降低热量向衬底的传递,有望用于有机衬底上薄膜的晶化。 3.通过构建ITO/Ag/ITO复合透明导电膜层结构,并结合脉冲电流退火方法,在有机衬底上成功制备了光电性能综合优值高的透明导电薄膜,克服了现有高性能透明导电薄膜制备工艺与有机衬底不兼容的难点。系统研究了不同脉冲电流退火参数下单层ITO薄膜的光电性能,并探讨了Ag层厚度和脉冲电流退火对ITO/Ag/ITO复合薄膜光电性能的影响。结果表明,采用脉冲电流诱导实现了单层ITO薄膜从非晶向多晶的转变。同时,Ag层的引入有利于顶层ITO薄膜的晶化,且随着Ag层厚度的增加,Ag层表面形貌逐渐从岛状向薄膜状结构转变,改善了光电性能。经脉冲电流退火后,中间Ag层越厚,复合薄膜的ne增加越显著,导致等离子体共振频率增大,呈现出导电和红外反射增强,可见光透过窗口变窄并向短波方向移动的现象。最终,当中间Ag层厚度为12nm时,制备态ITO/Ag/ITO复合薄膜的FoM值为231.36(r为7.55′10-5WΩcm,Tavg（450～650 nm）为82.74%),比制备态单层ITO薄膜的FoM值（17.57）增加约12倍,且8～14μm波段的平均红外发射率(eavg)由单层的0.534降低至0.164,表现出增强的光电性能,其原因主要是Ag层的引入提高了薄膜结晶度。相比于制备态复合薄膜,经脉冲电流退火后复合薄膜的FoM值提高约34%,eavg降低约39%,表现出增强的导电性和红外反射特性。

摘要译文

关键词：

强附着力; 透明导电; ITO薄膜; 光电机理; 脉冲电流退火

学位年度：

2024

学位类型：

博士

学科专业：

电子科学与技术

导师：

邓龙江

中图分类号：

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：

10.27005/d.cnki.gdzku.2024.005772