透明导电薄膜的研究进展

摘 要:透明导电薄膜是一种在可见光范围内透光率较高又具有良好导电性的薄膜材料,主要应用于太阳能电池板、液晶显示屏、柔性电子设备以及智能玻璃等方面。本文综述了透明导电薄膜的发展状况,介绍了透明导电薄膜常用原料和制备工艺并对其发展前景进行分析。 毕业论文
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  摘 要:透明导电薄膜是一种在可见光范围内透光率较高又具有良好导电性的薄膜材料,主要应用于太阳能电池板、液晶显示屏、柔性电子设备以及智能玻璃等方面。本文综述了透明导电薄膜的发展状况,介绍了透明导电薄膜常用原料和制备工艺并对其发展前景进行分析。
毕业论文
  关键词:透明导电薄膜;制备方法;TCO;石墨烯;碳纳米管、应用
  1 引言
  透明导电薄膜是一种在可见光范围内透光率较高又具有良好导电性的薄膜材料,主要应用于太阳能电池板、液晶显示屏、柔性电子设备以及智能玻璃等方面。透明导电薄膜发展迅速,无论在材料的选择还是制备工艺的发展,有关透明导电薄膜的研究成果不断涌现。
  2 种类及制备工艺
  透明导电薄膜种类繁多,根据原料的不同可以分为金属氧化物薄膜(TCO)、石墨烯薄膜、CNT薄膜、导电聚合物薄膜以及其它薄膜等。
  2.1 金属氧化物透明导电薄膜(TCO)
  TCO薄膜[1]是目前研究和应用最广泛的透明导电薄膜,研究和应用较多的掺杂TCO薄膜,主要有In2O3基、ZnO基、SnO2基透明导电薄膜。
  目前市场上占比最大的是氧化铟锡[2](Indium tin oxide,简称ITO)透明导电薄膜,氧化铟锡由于具有良好导电性、耐腐蚀、易加工等优点,被广泛应用于电子工业领域。ITO薄膜常用的制备方法[3]有磁控溅射法、电子束蒸发法、化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、喷涂法等 ,而磁控溅射是目前商业上广泛使用的薄膜制备方法之一。但是由于ITO薄膜制备工艺复杂,需要使用复杂昂贵的辅助设备,同时铟作为稀有金属,价格昂贵,资源有限,制约了其发展。
  在对传统ITO薄膜制造工艺的研究中,人们对磁控溅射制备ITO 薄膜进行了大量研究,主要集中在沉积温度、工作压力、溅射功率、后处理以及沉积速率等工艺条件对 ITO 薄膜的影响上。钟志有[4]采用直流磁控溅射方法在普通玻璃衬底上制备ITO透明导电薄膜。研究发现,在相同的退火条件下,沉积速率较小时,薄膜的优良指数较大,具有较佳的光电综合性能。比单层 ITO厚度更薄、导电性更好的 ITO/ Ag/ ITO(IAI)复合膜[5]获得了人们越来越多的关注。
  在TCO薄膜中,另一大体系是氧化锌基透明导电薄膜。氧化锌 (ZnO)[6]作为一种新型半导体光电材料,原材料来源丰富、无毒、价格便宜。其中掺铝氧化锌膜(AZO)在等离子体中化学稳定性最好,且具有同ITO膜相似的光电性能,应用较广泛。通常情况下,氧化锌薄膜呈现弱n型导电性,通过引入适当的元素掺杂之后,氧化锌薄膜的导电性可以明显改善。常用的掺杂元素有B、Mg、Pr、Nb、Si、Cu、Ga、Ti等元素。
  SnO2作为一种宽带隙半导体材料,近来受到越来越多的关注,有望成为下一代具有更大发展潜力的新型透明导电材料。SnO2基很少单独使用,研究也多以掺杂复合使用,氟或锑掺杂的氧化锡低辐射涂层玻璃被认为是最经济实用的建筑节能玻璃材料。目前最常用的制备工艺是磁控溅射法,然而喷雾热分解工艺[7]制备低辐射玻璃能够极大地降低生产成本,或许具有更广阔的前景。
  在金属氧化物薄膜研究领域,TIO2基和掺锑氧化锡(ATO)薄膜[8]同样具有较大的发展前景。
  2.2 石墨烯透明导电薄膜
  在透明导电薄膜领域,石墨烯同样发展迅速。石墨烯由于具有极高的透光率、导电性和机械性,在其被制备后迅速引起了光电子领域研究人员的极大关注。石墨烯透明导电薄膜的制备方法目前主要有氧化石墨法、化学气相沉积法、复合材料法等。闵永刚[9]通过Langmuir-Blodgett法方便地制备了透光率为82.69%,方块电阻为471Ω/□的柔性石墨烯透明导电薄膜,并通过逐层堆叠的技术达到优化石墨烯透明薄膜性能的目的。研究发现[10],石墨烯/银纳米线复合透明导电薄膜不仅具有优异的光电性能,还具有良好的机械弯曲稳定性。
  2.3 碳纳米管透明导电薄膜
  碳纳米管和石墨烯类似,也是新型的纳米碳材料,同样具有独特的晶体结构和优异的性能而被人们广泛关注。碳纳米管,也称为巴基管,由石墨片层绕中心轴卷曲所组成的单层或多层的同轴无缝中空管状物,两端闭合。目前碳纳米管制备[11]主要采用电弧法、化学气相沉积法(CVD)、激光蒸发法、离子(电子束)辐射法、电解法、火焰法等等。工业制备中主要采用电弧法、激光蒸发法和化学气相沉积法。孟岩[12]采用绕线棒涂布的方法制备大面积的碳纳米管柔性透明导电薄膜。魏嘉麒[13]采用Hummers法制备氧化石墨,采用逐层自组装法(LBL)在玻璃基底上制得碳纳米管/氧化石墨复合薄膜,并通过水合肼蒸汽还原法将薄膜还原成碳纳米管/石墨烯透明导电薄膜。
  2.4 其它透明导电薄膜
  在透明导电薄膜的发展中,还有很多其它制备方法,比如聚合物透明导电薄膜、金属网格[14],金属纳米线等。
  聚合物材料制备的透明导电薄膜具有成本低、易加工、耐腐蚀等优点。制备有机透明导电薄膜的方法主要有旋涂法和真空蒸发法等。王晓丽[15]以聚乙烯(PE)薄膜为基材,通过表面处理,采用聚乙撑二氧噻吩(PEDOT)制备导电涂料,利用丝杠涂布制备了在可见和中远红外都有较高透过率的透明导电薄膜。
  金属纳米线[16]目前研究较多的主要是铜纳米线和银纳线。银盐法金属网格透明导电膜[17]制备过程中化学镀工艺稳定性,将为银盐法制备透明导电膜技术产业化和稳定生产奠定坚实的基础。张楠[18]首次利用 Sb2O3/Ag/ Sb2O3 (SAS) 叠层透明导电薄膜作为透明电极,并采用衍射自组装沟道的方法研制了一种透明薄膜晶体管。
  3 总结与展望
  透明导电薄膜由于其广阔的应用前景,正在激励着大量科研工作者投入其中。由于氧化铟锡昂贵的价格以及复杂的制备工艺及有限的资源,透明导电薄膜逐渐朝着多元化方向发展。随着碳纳米材料以及其他金属掺杂复合材料的发展,透明导电薄膜性能将会得到更大的提高,应用更加广阔。   参考文献
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