夏齊萍,王 軻
(安徽農(nóng)業(yè)大學 經(jīng)濟技術學院,安徽合肥 230000)
科技發(fā)展中,不同功能的顯示器件被廣泛應用在各行業(yè)中,其作為被動發(fā)光型顯示器,需要利用同時具有優(yōu)異光電性能的導電薄膜,維持顯示界面的清晰度。在此背景下,研究人員提出在現(xiàn)有的ITO 薄膜的基礎上,應用Ag 材料,聯(lián)合制備Ag-ITO 納米顆粒復合薄膜,從而借助該薄膜,強化各類顯示器件的功能架構。
Ag-ITO 納米顆粒復合薄膜中的Ag 是指某種金屬材料,其在可見光范圍內反射率較高,光電性能優(yōu)異,可作為可見光波段中應用價值較高的反射材料。不僅如此,Ag 電阻率通常為10-6Ω·cm,導電性能突出,可同時作為電極材料。ITO薄膜屬于光電材料,即具有導電性、透光性的薄膜,主要材料為氧化銦錫,電阻率為10-4Ω·cm,多用于除霜玻璃、等離子顯示、熱輻射反射鏡、LCD 液晶顯示器上。但由于ITO 薄膜電導率較低,容易產(chǎn)生較大功耗,為此,相關人員利用Ag材料與ITO 薄膜共同研制新型薄膜,即Ag-ITO 納米顆粒復合薄膜,繼而在Ag 組分作用下,提升ITO 薄膜導電特性,控制各類顯示器件的功耗。同時使該薄膜在確保顯示器件透光率的前提下,改善薄膜在高強光環(huán)境下的反射能力,強化顯示界面的對比度、畫面的整體亮度。
選擇規(guī)格為20mm×20mm×1.2mm 的載玻片,并采用超聲清洗方法,具體方式如下:
(1)將載玻片放置在丙酮內超聲清洗9~10min。
(2)將其依次轉移至離子水、乙醇中,超聲清洗10min。
(3)將載玻片清洗干凈后取出,置于恒溫50℃的溫度條件下烘干處理。
聯(lián)合使用型號為JGP560的多功能磁控濺射儀,以及直流磁控濺射工藝完成ITO 薄膜的制備工作。
(1)制備ITO 薄膜時,需確保靶材純度不低于99.99%,所用ITO 靶為WT.10%SnO2+WT.90%In2O3。
(2)抽取真空室內的氧氣,將其調整為本底真空度,隨后放入高純度氬氣,關閉擋板,使真空室進行預濺射。
(3)預濺射時間通常為10min,之后可將擋板移開,正式開始濺射生成ITO 薄膜。在此過程中,提前準備的載玻片無須加熱,待濺射、沉積150s 后,對薄膜展開退火處理,退火過程中的溫度分別為200℃、300℃、500℃。退火60分鐘后,方可取出ITO 薄膜樣品,將其冷卻,薄膜溫度與室溫相同后可將其取出。
制備Ag-ITO 納米顆粒復合薄膜時,同樣采用濺射工藝,實驗設備是型號為JGP560的多功能磁控濺射儀?;緸R射時間、步驟、退火時間均與制備ITO 薄膜相同。但是需要在“貼片法”的應用中,將Ag-ITO 作為靶材,并利用銀漿將ITO、Ag 靶對稱的貼合,所用ITO、Ag 靶其純度均為99.99%。
Ag-ITO 納米顆粒復合薄膜合成完畢后,通過公式(1)、(2)計算該薄膜樣品中Ag 材料的實際含量。其中QM 表示Ag 在Ag-ITO 納米顆粒復合薄膜中的含量,mM、ρM、ρD、mD分別表示薄膜中Ag 的摩爾質量、密度,以及ITO 的摩爾質量與密度。SMD、x 為ITO 和Ag 的濺射比例、暴露面積。
基于Ag-ITO 納米顆粒復合薄膜的制備實驗,使用分光光度計,分別測量Ag-ITO 納米顆粒復合薄膜、ITO 薄膜的反射光譜,對比分析該復合薄膜的光性質,具體分析結果如下:
(1)在可見光范圍內,分析退火溫度不同時,薄膜的平均反射率。實驗表明,Ag 材料的實際含量,直接影響Ag-ITO薄膜的平均反射率,但從整體來看,Ag-ITO 薄膜反射率明顯高于未融合Ag 材料的ITO 薄膜。
(2)在百分比含量為0.6%時,Ag-ITO 薄膜在可見光范圍內,其平均反射率卻低于ITO 薄膜,且總體反射率均小于27%。由此可見,低含量的Ag-ITO 薄膜,Ag 金屬材料會通過透射形式與薄膜進行交互,若增加Ag 含量,則會導致Ag-ITO 納米顆粒復合薄膜制備時,其納米顆??臻g分布產(chǎn)生較大變化,最終造成薄膜粗糙問題,影響復合薄膜的反射性能。
(3)退火溫度作用于Ag-ITO 薄膜平均反射率時,退火溫度高時,Ag 材料中含有的剩余應力會被釋放,提升Ag 金屬材料結晶度,減少薄膜中的空隙、缺陷等問題,從而降低光傳輸過程中顯示器的能量損耗,保障復合薄膜的光放射強度。
(4)退火溫度持續(xù)升高時,薄膜顆粒尺寸會明顯增加,薄膜表層結構中顆粒尺寸隨之增大,最終使得微結構光散射問題突出,顯示器件功耗多,薄膜光反射強度下降。因此,復合薄膜的光平均反射率在不同退火溫度條件下,其反射結果會有較大差異性,在制備復合薄膜時,應嚴格按照Ag-ITO 薄膜的濺射工藝,控制薄膜退火溫度。
利用透射光譜分析Ag-ITO 納米顆粒復合薄膜光性質時,同樣需要使用可見分光光度計,對比測量Ag-ITO 復合薄膜、ITO 薄膜處于可見光光段內時的透射光譜。
(1)退火溫度升高時,透射光譜中Ag-ITO 復合薄膜的透射率呈上升趨勢。此種光學特性表征,主要是針對Ag 含量較低的復合薄膜,比如Ag 材料小于1%時所制備的Ag-ITO 薄膜。
(2)退火溫度持續(xù)提高時,ITO 薄膜基片中含有的Sn2+會通過氧化反應轉換為Sn4+,繼而使Ag-ITO 復合薄膜的透射率提高,薄膜致密度同樣會因此而增加。因此,在透射光譜中,可見光范圍內退火溫度升高時,Ag-ITO 復合薄膜可通過自身結晶度的增加,控制光散射時出現(xiàn)的損失,增加薄膜本身的透射率。在此期間,ITO 薄膜會在退火溫度超過300℃時,透過率明顯下降,究其原因在于氧原子的大量堆砌。
(3)由退火溫度、Ag 用量不同時,可見光范圍內Ag-ITO復合薄膜透射光譜變化可知,Ag 含量增加時,因納米Ag 顆粒會逐漸吸收可見光,所以Ag-ITO 薄膜平均反射率會對應的下降,使得該復合薄膜的平均反射率低于ITO 薄膜。同時隨著Ag 含量的持續(xù)增加,其納米顆粒尺寸空間更大,對可見光的吸收更多,繼而使得Ag-ITO 薄膜透射光譜中的透射率下降。
分析Ag-ITO 納米顆粒復合薄膜的電性質時,通常需要測量薄膜電阻值,計算其電阻率來評估該復合薄膜的電性能。具體來說,使用“四探針測量法”,分別測量Ag-ITO 納米顆粒復合薄膜、ITO 薄膜的面電阻,所測的電流量程為100μA,電壓量程為20mV。
除此之外,根據(jù)不同退火溫度下薄膜樣品的面電阻可知,Ag-ITO 納米顆粒復合薄膜、ITO 薄膜的面電阻在退火溫度影響下,二者變化趨勢基本一致。因此,可直接按照退火溫度對Ag-ITO 復合薄膜樣品面電阻本身造成的影響,分析其電學特性。
1)退火溫度高時,Ag-ITO 復合薄膜會明顯下降,原因在于退火時,薄膜中沉積的Sn2+會氧化,從而導致復合薄膜中自由電子含量增加、面電阻下降。
2)退火溫度持續(xù)升高時,且溫度大于300℃時,Ag-ITO復合薄膜會呈上升趨勢,這是由于Sn2+在氧化為Sn4+后,高濃度的Sn4+離子會與周圍Sn2+結合,產(chǎn)生復合缺陷,且該復合缺陷的帶電量為+3,而載流子濃度不會因此而提升。
3)在退火過程中,氧原子不斷堆砌后,退火溫度的上升會使Ag-ITO 復合薄膜面電阻上升,但是相對于ITO 薄膜,Ag-ITO 復合薄膜的導電性能良好。在室溫沉積下,Ag-ITO 復合薄膜中含有的Sn3O4、SnO 等錫氧化物,可形成電子陷阱將電子捕獲,以降低薄膜中載流子的實際濃度,并對面電阻產(chǎn)生影響。另外,Ag-ITO 復合薄膜中In2O3進行熱分解反應時,薄膜樣品中氧含量較低,內部載流子濃度、載流子遷移率會產(chǎn)生變化,繼而使得Ag-ITO 復合薄膜面電阻降低。
綜上所述,Ag-ITO 納米顆粒復合薄膜在顯示器件功能設計中有著不可替代的價值,其光電性質、制備流程的優(yōu)化效果直接關系著顯示器功能的完善。因此,應結合Ag 金屬材料、ITO 薄膜的應用優(yōu)勢,將高純度的Ag、ITO 靶材對稱貼合,制備復合型的納米顆粒復合薄膜。同時通過Ag-ITO 納米顆粒復合薄膜的光電特性分析,完善該薄膜制備流程,滿足光電復合材料的性能要求。