AOM:「金屬透明導電薄膜」綜述——材料製備、光學設計和應用場景

2021-01-19 MaterialsViews

透明導電薄膜是構成太陽能電池、光電探測器、發光二極體、平板顯示器、觸控螢幕、和智能窗等光電子器件的重要組成元件之一。近些年，隨著可穿戴設備和曲屏手機等柔性光電子器件的快速發展，人們對透明導電薄膜的機械柔韌性提出了新的要求。當前，應用最廣泛的透明導電薄膜是氧化銦錫（ITO）。ITO具備良好的可見光透過率和較低的電阻率，但其機械強度和柔韌性較差，不適用於柔性光電子器件。為解決該問題，科研人員探索了多種ITO-free的透明導電薄膜，包括金屬薄膜、金屬網格或納米線、二維材料、導電聚合物等。其中，金屬薄膜的製備工藝簡單，機械柔韌性優良。通過卷對卷（roll-to-roll）等製造工藝，可以實現金屬薄膜在柔性襯底上的大面積、低缺陷和低成本的沉積。過去的十多年中，科研人員圍繞「金屬透明導電薄膜」的製備工藝、結構設計和器件應用等方面開展了眾多的研究。

密西根大學L. Jay Guo教授和華中科技大學張誠教授（共同通訊作者）、寧波融光納米科技CTO季陳剛博士、密西根大學Yong-Bum Park博士系統總結了金屬透明導電薄膜在材料選擇、微納加工製備、性質表徵、光學結構設計以及光電子器件應用等方面的最新進展。該綜述文章發表在Advanced Optical Materials上（DOI: 10.1002/adom.202001298）。

文章首先圍繞金屬材料的電阻率和光學折射率的相關理論基礎進行分析，討論了適宜於透明導電電極應用的金屬材料的選取方法。通過對金屬材料薄膜沉積的物理機制的說明，指出常見金屬材料（如：金、銀、銅）在薄膜製備中會遭遇難以形成高品質超薄膜的挑戰。隨後，詳細介紹了多種打破薄膜沉積的內在限制，製備超薄（< 15 nm）、表面平整、高穩定性和低損耗的金屬薄膜的方法，並對每種方法的優缺點和適用場景進行了分析。文章詳細介紹了光譜橢偏測量技術的基礎知識及其在金屬薄膜的光學折射率、膜厚等參數表徵中的應用。圍繞高光學透過率的金屬導電薄膜的設計，文章以研究人員經常使用的介質-金屬-介質（DMD）結構為例，討論了其工作原理、分析設計步驟和高階的衍生結構。最後，文章總結了金屬透明導電薄膜在多種光電子器件中的應用，包括有機（鈣鈦礦）太陽能電池、半透明太陽能電池、有機發光二極體、光學濾波器、低輻射玻璃和透明電磁屏蔽塗層。

L. Jay Guo教授課題組和張誠教授課題組長期從事金屬透明導電薄膜的研究。他們於2013年提出了利用摻雜工藝製備高性能且穩定的超薄銀膜的創新技術，多項研究成果發表在Wiley旗下Advanced系列期刊。該技術目前正被科技創新公司Zenithnano推向產業化。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201903173https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201901320https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201605177https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201500768https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201306091

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