一种柔性氟晶云母衬底ITO膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及透明导电薄膜领域，特别涉及一种柔性氟晶云母衬底ITO膜及其制备方法。

背景技术

近年来，由于纳米技术的发展和光电子学的要求，光电子技术已经成为基础科学和工业研究的一个重要研究方向。透明导电薄膜因其透明、导电等性能，主要应用于各类显示屏当中。铟锡氧化物(Sn掺杂In

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种柔性氟晶云母衬底ITO膜及其制备方法。所得氟晶云母衬底沉积的ITO薄膜，不仅具有优异的透明导电性能，而且其具有柔性、耐高温、耐强酸碱及弯曲的耐久性，是一种可替代高分子聚合物透明导电材料，可在超高温、强酸碱等极端条件下应用于柔性太阳能电池、柔性平板显示及光电探测器等。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种柔性氟晶云母衬底ITO膜的制备方法，

采用磁控溅射技术在氟晶云母衬底上沉积ITO薄膜，仪器采用13.56MHz射频高真空磁控溅射镀膜机，靶材为铟锡氧化物，直径为Φ50±1mm，厚度为5mm；衬底采用氟晶云母片，先用去离子水加洗洁精超声清洗7min，再用丙酮超声清洗7min，连续操作两次，最后用吹风机吹干即可；靶基距为7cm，本底真空为9.9×10

进一步的，所述薄膜退火温度为500℃、600℃、700℃、800℃及900℃。

进一步的，所述薄膜经500-900℃高温退火，随温度升高，薄膜电阻率明显降低。

进一步的，所述薄膜退火温度为800℃。

进一步的，所述柔性氟晶云母衬底ITO膜的电阻率为4.08×10

进一步的，所述薄膜平均光透过率形成2个平台，在600℃以下温度处理，其平均光透过率在400-800nm波长区间；基本维持在91％，而在700℃-900℃高温处理后其平均透过率急速降低至85％，在人眼敏感波长550nm位置，其光透过率高达93.74％。

进一步的，所述薄膜随弯曲次数增加，其方块电阻有增大趋势，但经1200次弯曲后，其方块电阻变化率不超过5％。

进一步的，所述靶材为10％SnO

进一步的，利用上述方法制得的柔性氟晶云母衬底ITO膜。

进一步的，该柔性氟晶云母衬底ITO膜在柔性太阳能电池、柔性平板显示及光电探测器领域的应用。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明一种柔性氟晶云母衬底ITO膜及其制备方法，室温条件在氟晶云母衬底上制备氧化铟锡(ITO)薄膜，样品分别经500℃、600℃、700℃、800℃及900℃高温2小时退火。结果发现随着退火温度的提高，ITO薄膜结晶性能更优异，电阻率明显下降，退火温度在800℃时，最低电阻率达4.08×10

附图说明

图1氟晶云母结构图

其中：(a)沿[100]方向观察(b)沿[001]方向观察图2ITO薄膜的透过率和退火温度的关系；

图3不同退火温度样品平均光透过率；

图4(αhv)

图5不同退火温度下ITO薄膜的AFM；图5中，(a)图为室温下沉积的ITO薄膜的AFM，(b)、(c)、(d)及(e)图分别为500℃、700℃、800℃及900℃退火温度处理的样品，其均方根(root-mean-square(RMS))Ra值分别为11.4nm、11.3nm、11.2nm、14.3nm及12.8nm；

图6不同退火温度下ITO薄膜XRD图；

图7不同退火温度下ITO薄膜电阻率；

图8不同温度下ITO薄膜方块电阻与弯曲次数关系，其中：

(a)室温沉积不经退火薄膜(b)经800℃退火薄膜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案做进一步详细描述：

如图1所示，

在本实验中，利用磁控溅射技术在氟晶云母上制备ITO薄膜，研究了超高温(500-900℃)退火处理对ITO薄膜微观结构、电学和光学性能的影响。

实验例：

采用磁控溅射技术在氟晶云母衬底上沉积ITO薄膜。仪器采用13.56MHz射频高真空磁控溅射镀膜机(JSD300-Ⅱ)，靶材为铟锡氧化物(10％SnO

采用X射线衍射仪(D8Advance,BrukerAxs,Germany)，原子力显微镜(AFM)(BrukerDimension edge)表征其微结构及表面形貌；采用紫外可见光分光光度计(UV755B，上海佑科)测量薄膜的透过率；运用数字四探针测试仪(ST-2258A型，苏州晶格)测试薄膜的方块电阻，样品弯曲实验分别采用3mm及5mm半径刚圆柱体，固定一端，另一端手动绕其弯曲。

2结果与分析

图1所示为氟晶云母的微观结构图，可见其层状的结构单元，在两个硅酸盐四面体(SiO

图2显示的是在氟晶云母上ITO薄膜的退火温度与光透过率之间的关系，从图2中看出在退火温度为700℃透过率是最低的，在人眼感光波长为550nm时，仅为83.78％，而在退火温度为600℃时，在550nm时透过率为93.74％。图3是400-800nm波长区间样品的平均光透过率，600℃以下温度退火，其平均光透过率在91％左右波动，而在700℃以上温度退火，其平均透过率急速下降且稳定在85％左右。这很可能是700℃以上的高温有利于晶体的重结晶，使得晶粒与晶粒间的相互融合，晶粒增大的原因。

采用Tauc plot公式：

其中，α为光吸收指数，h为普朗克常数，v为频率，A为常数，Eg为光学带隙，指数n与材料类型有关，直接带隙材料：n＝1/2；间接带隙材料：n＝2，图4是利用式(1)得到不同退火温度下ITO薄膜(αhv)

图5中，(a)图为室温下沉积的ITO薄膜的AFM，(b)、(c)、(d)及(e)图分别为500℃、700℃、800℃及900℃退火温度处理的样品，其均方根(root-mean-square(RMS))Ra值分别为11.4nm、11.3nm、11.2nm、14.3nm及12.8nm。可发现700℃以下温度退火，其粗糙度基本不变，800℃以上温度退火，其粗糙度才有小幅增大。这一方面ITO薄膜沉积在原子级别平整的氟晶云母(001)晶面所致；另一方面氟晶云母本身是一种层状材料，层与层之间有一定的伸缩力，有利于薄膜沉积应力应变的消除。800℃以上高温处理，其粗糙度小幅增大的原因是晶粒尺寸增大的结果。

图6是不同退火温度下ITO薄膜与氟晶云母的XRD图，FMC是氟晶云母衬底XRD曲线，可以看出经500℃温度退火后，在2θ衍射角为30°和51°附近出现新的衍射峰，其分别对应的ITO薄膜的(222)和(441)衍射峰，而在所有温度下(441)峰表现出比(222)峰更强，说明在(001)氟晶云母晶面生长ITO薄膜，晶体沿(441)晶面择优生长。室温条件沉积的ITO薄膜没有出现ITO衍射峰，表明此时ITO膜为非晶相。经500℃以上高温退火，样品由非晶相转化为ITO的单晶结构，这一方面500℃以上温度提供的热运动能量可使非晶ITO原子激活，和氟晶云母中的悬挂键重组，从而降低其薄膜与衬底间的缺陷密度，提高薄膜晶体的质量；另一种可能是无氧补给的溅射过程，不可避免带来的是高浓度氧空位缺陷，但经空气中高温退火后，氧的补给填充，会降低其缺陷态密度，使得成膜质量提高的原因所在。图6中氟晶云母的有些峰随着温度的升高而逐渐减弱甚至消失，是由于金属阳离子与氧离子发生断裂，ITO薄膜中的离子浸入其中所导致的。

采用Scherrer公式计算薄膜(441)晶面生长晶粒尺寸：

式(2)中X射线波长λ为0.15405nm，β为衍射峰半高宽，θ为衍射角。退火温度在500℃、700℃、800℃及900℃(222)晶面取向的晶粒尺寸约晶粒尺寸为41.57nm、44.80nm、47.81nm及48.17nm。随着薄膜退火温度升高，晶粒尺寸明显增大，其结晶性能变好

图7是不同退火温度下电阻率变化情况，从中可见，薄膜的电阻率随退火温度升高而明显下降，当退火温度达到800℃时，电阻率最低为4.08×10

为检测ITO薄膜在氟晶云母上的机械柔韧性，实验研究了薄膜在弯曲柱体半径分别为3.5mm及5.5mm条件下，其方块电阻与弯曲次数的关系如图8(a)(b)，从图中可见，不管是退火后前和退火后，随着弯曲次数的增加，方块电阻随弯曲次数增加都有一定的增大，薄膜绕3.5mm钢圆柱体弯曲比5.5mm半径弯曲，在相同次数条件其方块电阻变化更大，方块电阻基本随弯曲次数增多而增大，但所有样品，经1200弯曲次数后，其方块电阻变化不超5％，表现出优异的柔韧和稳定性。

3结论

采用射频磁控溅射方法在氟晶云母基片上制备ITO薄膜，经500-900℃高温退火，随温度升高，薄膜电阻率明显降低，在800℃获得最低电阻率为4.08×10

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。