[发明专利]一种基于超薄金属的透明导电薄膜

说明书

本发明公开了一种基于超薄金属的透明导电薄膜，包括自下而上依次设置的底部介电层、超薄金属层和顶部介电层，超薄金属层为银层，底部介电层和顶部介电层的化学组成均为M_xZn_1‑xO，其中，底部介电层的平均表面粗糙度为0.1～0.3nm，M为掺杂元素，M为Mg、In、Gd中任意一种，x为M的掺杂量与M和Zn的总量的质量比，x=0.005～0.5。该透明导电薄膜具有三层结构，在保证波长为400～800nm的平均光学透过率不低于80%、薄膜方阻不高于7Ω/sq的前提下，其高温稳定性、湿热稳定性、化学稳定性、空气中稳定性以及抗刮擦稳定性等多方面稳定性较现有常用同结构透明导电薄膜大幅度提升，可满足诸多柔性光电器件的应用需求。

技术领域

本发明属于柔性光电薄膜领域，具体涉及一种基于超薄金属的透明导电薄膜。

背景技术

近年来，面向可穿戴器件的需求，薄膜光电器件逐渐向柔性化方向发展，促使柔性透明导电膜的需求日益殷切。目前，市用较为普遍的透明导电薄膜是氧化铟锡(ITO)薄膜，由于氧化物自身脆性的限制，已难以满足柔性光电器件的需求。因此，可取代ITO的柔性透明导电膜产品必是未来柔性光电产品的基础材料，更是柔性光电产品的战略物资。

在目前研究得较多的柔性透明导电薄膜材料中，金属纳米线薄膜具有较大的表面粗糙度；金属栅格薄膜的栅格图案制备方法复杂且成本较高；石墨烯和碳纳米管导电材料大面积均匀制备较为困难；以PEDOT:PSS为代表的有机聚合物的导电性尚未能满足高性能柔性光电器件的使用需求。相比较而言，基于超薄金属的透明导电薄膜具有机械柔性好、导电性好、光学和电学性能均匀、成本低和可大规模制备等优点，有望成为替代ITO的理想材料。

基于超薄金属的透明导电薄膜一般以D/M/D(介电层/金属层/介电层)结构呈现。其透过率和电阻率可以通过分别调节介电层和金属层的厚度来优化。其中，电阻率主要取决于金属层的厚度，而透过率主要取决于介电层与金属层间的折射率的匹配，介电层同时还可以提高金属层的粘附性并对金属层起保护作用。虽然D/M/D结构的透明导电薄膜具有较好的光电特性，但其稳定性(包括空气中稳定性、抗刮擦稳定性、高温稳定性、湿热稳定性等)还有待于加强。由于其金属层的厚度一般较薄，在加热条件下甚至是在空气中，金属会发生自团聚，从而使得透过率及电导率降低，导致薄膜的光学性能和电学性能发生恶化。相对于金属层位置不同，D/M/D结构中的两层介电层也可分别称为顶部介电层和底部介电层。一般而言，底部介电层和顶部介电层通常采用金属氧化物膜，金属层通常采用银膜，底部介电层主要作为银膜的生长缓冲层，顶部介电层主要作为银膜的保护层，底部介电层和顶部介电层可以调节膜系的光学性能和电学性能，也可以保护银膜，提高膜系的理化性能。目前来说，2wt％Al₂O₃掺杂的ZnO(简称AZO)材料常作为底部介电层和顶部介电层。但是AZO/Ag/AZO的DMD膜应用起来并不是特别理想，存在对银膜保护不彻底、膜层结合力不足等系列问题，具体体现在：(1)耐湿热稳定性差，外界空气中的氧、水易穿透AZO层扩散至银膜，导致银膜的氧化失效；(2)空气中抗氧化能力差，在空气中放置一段时间后，银膜容易氧化、团聚，在膜表面出现白色斑点，进而影响薄膜的光电性能；(3)高温热处理过程中的热稳定性差；(4)AZO层与银膜的附着力较差，在搬运过程中膜面触碰与摩擦会造成薄膜划痕，进而影响膜面的质量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种基于超薄金属的透明导电薄膜，在保证波长为400～800nm的平均光学透过率不低于80％、薄膜方阻不高于7Ω/sq的前提下，其高温稳定性、湿热稳定性、化学稳定性、空气中稳定性以及抗刮擦稳定性等多方面稳定性较现有常用同结构透明导电薄膜大幅度提升，可满足诸多柔性光电器件的应用需求。