Ag-ITO納米顆粒復(fù)合薄膜的制備及其光電性質(zhì)

夏齊萍，王 軻

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)技術(shù)學(xué)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(yīng)用在各行業(yè)中，其作為被動(dòng)發(fā)光型顯示器，需要利用同時(shí)具有優(yōu)異光電性能的導(dǎo)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(chǔ)上，應(yīng)用Ag 材料，聯(lián)合制備Ag-ITO 納米顆粒復(fù)合薄膜，從而借助該薄膜，強(qiáng)化各類顯示器件的功能架構(gòu)。

1 Ag-ITO納米顆粒復(fù)合薄膜概述

Ag-ITO 納米顆粒復(fù)合薄膜中的Ag 是指某種金屬材料，其在可見光范圍內(nèi)反射率較高，光電性能優(yōu)異，可作為可見光波段中應(yīng)用價(jià)值較高的反射材料。不僅如此，Ag 電阻率通常為10-6Ω·cm，導(dǎo)電性能突出，可同時(shí)作為電極材料。ITO薄膜屬于光電材料，即具有導(dǎo)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(dǎo)率較低，容易產(chǎn)生較大功耗，為此，相關(guān)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(fù)合薄膜，繼而在Ag 組分作用下，提升ITO 薄膜導(dǎo)電特性，控制各類顯示器件的功耗。同時(shí)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(qiáng)光環(huán)境下的反射能力，強(qiáng)化顯示界面的對比度、畫面的整體亮度。

2 Ag-ITO納米顆粒復(fù)合薄膜的制備流程

2.1 清洗基片

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(nèi)超聲清洗9～10min。

（2）將其依次轉(zhuǎn)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。

2.2 制備ITO薄膜

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(shí)，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(nèi)的氧氣，將其調(diào)整為本底真空度，隨后放入高純度氬氣，關(guān)閉擋板，使真空室進(jìn)行預(yù)濺射。

（3）預(yù)濺射時(shí)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(zhǔn)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。

2.3 合成Ag-ITO納米顆粒復(fù)合薄膜

制備Ag-ITO 納米顆粒復(fù)合薄膜時(shí)，同樣采用濺射工藝，實(shí)驗(yàn)設(shè)備是型號為JGP560的多功能磁控濺射儀?；緸R射時(shí)間、步驟、退火時(shí)間均與制備ITO 薄膜相同。但是需要在“貼片法”的應(yīng)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(fù)合薄膜合成完畢后，通過公式（1）、（2）計(jì)算該薄膜樣品中Ag 材料的實(shí)際含量。其中QM 表示Ag 在Ag-ITO 納米顆粒復(fù)合薄膜中的含量，mM、ρM、ρD、mD分別表示薄膜中Ag 的摩爾質(zhì)量、密度，以及ITO 的摩爾質(zhì)量與密度。SMD、x 為ITO 和Ag 的濺射比例、暴露面積。

3 Ag-ITO納米顆粒復(fù)合薄膜的光性質(zhì)表征

3.1 反射光譜分析

基于Ag-ITO 納米顆粒復(fù)合薄膜的制備實(shí)驗(yàn)，使用分光光度計(jì)，分別測量Ag-ITO 納米顆粒復(fù)合薄膜、ITO 薄膜的反射光譜，對比分析該復(fù)合薄膜的光性質(zhì)，具體分析結(jié)果如下：

（1）在可見光范圍內(nèi)，分析退火溫度不同時(shí)，薄膜的平均反射率。實(shí)驗(yàn)表明，Ag 材料的實(shí)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(shí)，Ag-ITO 薄膜在可見光范圍內(nèi)，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(huì)通過透射形式與薄膜進(jìn)行交互，若增加Ag 含量，則會(huì)導(dǎo)致Ag-ITO 納米顆粒復(fù)合薄膜制備時(shí)，其納米顆粒空間分布產(chǎn)生較大變化，最終造成薄膜粗糙問題，影響復(fù)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(shí)，退火溫度高時(shí)，Ag 材料中含有的剩余應(yīng)力會(huì)被釋放，提升Ag 金屬材料結(jié)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(fù)合薄膜的光放射強(qiáng)度。

（4）退火溫度持續(xù)升高時(shí)，薄膜顆粒尺寸會(huì)明顯增加，薄膜表層結(jié)構(gòu)中顆粒尺寸隨之增大，最終使得微結(jié)構(gòu)光散射問題突出，顯示器件功耗多，薄膜光反射強(qiáng)度下降。因此，復(fù)合薄膜的光平均反射率在不同退火溫度條件下，其反射結(jié)果會(huì)有較大差異性，在制備復(fù)合薄膜時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照Ag-ITO 薄膜的濺射工藝，控制薄膜退火溫度。

3.2 透射光譜分析

利用透射光譜分析Ag-ITO 納米顆粒復(fù)合薄膜光性質(zhì)時(shí)，同樣需要使用可見分光光度計(jì)，對比測量Ag-ITO 復(fù)合薄膜、ITO 薄膜處于可見光光段內(nèi)時(shí)的透射光譜。

（1）退火溫度升高時(shí)，透射光譜中Ag-ITO 復(fù)合薄膜的透射率呈上升趨勢。此種光學(xué)特性表征，主要是針對Ag 含量較低的復(fù)合薄膜，比如Ag 材料小于1%時(shí)所制備的Ag-ITO 薄膜。

（2）退火溫度持續(xù)提高時(shí)，ITO 薄膜基片中含有的Sn2+會(huì)通過氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)換為Sn4+，繼而使Ag-ITO 復(fù)合薄膜的透射率提高，薄膜致密度同樣會(huì)因此而增加。因此，在透射光譜中，可見光范圍內(nèi)退火溫度升高時(shí)，Ag-ITO 復(fù)合薄膜可通過自身結(jié)晶度的增加，控制光散射時(shí)出現(xiàn)的損失，增加薄膜本身的透射率。在此期間，ITO 薄膜會(huì)在退火溫度超過300℃時(shí)，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(shí)，可見光范圍內(nèi)Ag-ITO復(fù)合薄膜透射光譜變化可知，Ag 含量增加時(shí)，因納米Ag 顆粒會(huì)逐漸吸收可見光，所以Ag-ITO 薄膜平均反射率會(huì)對應(yīng)的下降，使得該復(fù)合薄膜的平均反射率低于ITO 薄膜。同時(shí)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。

4 Ag-ITO納米顆粒復(fù)合薄膜的電性質(zhì)

分析Ag-ITO 納米顆粒復(fù)合薄膜的電性質(zhì)時(shí)，通常需要測量薄膜電阻值，計(jì)算其電阻率來評估該復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)合薄膜樣品面電阻本身造成的影響，分析其電學(xué)特性。

1）退火溫度高時(shí)，Ag-ITO 復(fù)合薄膜會(huì)明顯下降，原因在于退火時(shí)，薄膜中沉積的Sn2+會(huì)氧化，從而導(dǎo)致復(fù)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(shí)，且溫度大于300℃時(shí)，Ag-ITO復(fù)合薄膜會(huì)呈上升趨勢，這是由于Sn2+在氧化為Sn4+后，高濃度的Sn4+離子會(huì)與周圍Sn2+結(jié)合，產(chǎn)生復(fù)合缺陷，且該復(fù)合缺陷的帶電量為+3，而載流子濃度不會(huì)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(huì)使Ag-ITO 復(fù)合薄膜面電阻上升，但是相對于ITO 薄膜，Ag-ITO 復(fù)合薄膜的導(dǎo)電性能良好。在室溫沉積下，Ag-ITO 復(fù)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(shí)際濃度，并對面電阻產(chǎn)生影響。另外，Ag-ITO 復(fù)合薄膜中In2O3進(jìn)行熱分解反應(yīng)時(shí)，薄膜樣品中氧含量較低，內(nèi)部載流子濃度、載流子遷移率會(huì)產(chǎn)生變化，繼而使得Ag-ITO 復(fù)合薄膜面電阻降低。

5 結(jié)束語

綜上所述，Ag-ITO 納米顆粒復(fù)合薄膜在顯示器件功能設(shè)計(jì)中有著不可替代的價(jià)值，其光電性質(zhì)、制備流程的優(yōu)化效果直接關(guān)系著顯示器功能的完善。因此，應(yīng)結(jié)合Ag 金屬材料、ITO 薄膜的應(yīng)用優(yōu)勢，將高純度的Ag、ITO 靶材對稱貼合，制備復(fù)合型的納米顆粒復(fù)合薄膜。同時(shí)通過Ag-ITO 納米顆粒復(fù)合薄膜的光電特性分析，完善該薄膜制備流程，滿足光電復(fù)合材料的性能要求。