透明導電薄膜的光電特性，你知多少？

光學薄膜前沿又添新成員了，在透明導電薄膜方向，我們的光膜幻影加入了我們的大家庭，光膜幻影，安徽合肥工業大學的研究生，研究方向：導電薄膜，目前光學薄膜前沿團隊的4大骨干有來自吉林大學光學系的月莫，畢業于長春理工的小凱，畢業于上海光機所的小龍，遼寧大學新聞系畢業的付冠杰，為我們的新媒體注入生命新鮮，注入力量，只為更專業的傳播和科普光學薄膜材料的知識，技術成功孵化，為中國的產學研結合做出自己一點點的努力。

當下，在液晶顯示器、觸摸屏、太陽能電池、氣體傳感器、建筑用玻璃幕墻、飛機和汽車窗導熱玻璃等產品中，透明導電薄膜材料得到了廣泛應用；它作為一種新型的光電薄膜，正好能把光學透明性能和導電性能上乘的結合在一起，未來在科學研究和產品應用方面將會越來越突出其重要地位！

然而，對于這種新型透明導電薄膜的光電特性，你又知道多少？本文就從專業角度，對透明導電金屬薄膜和透明導電氧化物薄膜的光電特性普及一些基礎性知識！

按照材料組成不同，透明導電薄膜可分為四大類別：

透明導電金屬薄膜、透明導電氧化物薄膜、非氧化物透明導電化合物薄膜和導電性顆粒分散介質體。

1、透明導電金屬薄膜

金屬薄膜的薄厚決定了其光電性能的優良，但受現有工藝水平所限，其應用范圍較為局限！

以金、銀、銅、鉑等金屬為例，這些金屬的自由載流子的濃度約為1020個/cm3，可使它們的等離子頻率落在近紫外光區，使得其在可見光區是不透明的。同時，金屬薄膜在可見光和紅外波段都具有良好的反射性。如果想要得到在可見光波段透明的金屬薄膜，同時保持其在紅外波段的高反射特性，就需要將金屬薄膜的厚度制備得極薄。

根據能量守恒定律，反射率、吸收率和透射率三者之和等于1，要提高薄膜的透射率就必須降低其反射率或吸收率。許多實驗證明，當金屬薄膜厚度小于20nm時，對光的反射和吸收都會減小，此時的金屬薄膜對可見光具有較好的透光性，如圖1為鋁薄膜在3nm、10nm和15nm在可見光近紅外波段的透射率曲線。為了達到產品對透過率的高要求，導電透明金屬薄膜的厚度必須控制在3～15nm之間。然而，實際制備厚度小于10nm的金屬薄膜，極易形成島狀結構，沒法連成一片，使薄膜電阻率明顯提高,并且高低起伏的島狀結構會引起入射光的散射，從而影響薄膜的透射率。

圖1不同厚度的鋁薄膜的透過率

圖2極薄金屬薄膜的島狀結構圖

目前，可以采用等離子輔助等技術來減少島狀結構的形成，但是，極薄的金屬薄膜的電阻率仍然受表面效應和雜質的影響。同時，大部分金屬薄膜與透明的玻璃基底之間的附著力都較差。因此，雖然從理論上金屬薄膜可以成為良好的透明導電薄膜，但是要制備出極薄的金屬薄膜依然受限于現有的工藝水平，導致其應用范圍有限。

2、透明導電氧化物薄膜

日常許多光電產品中，如液晶顯示器、觸摸屏和太陽能薄膜等，對透明度和導電性的要求都較高。由于優良的光電特性和成熟的制備工藝，透明導電氧化物薄膜在光電子應用中占據著主導地位，具有廣泛和重要的應用前景。

透明導電氧化物薄膜材料是半導體中重要的一種，這里我們以氧化銦錫（ITO）透明導電薄膜為典型例子，簡要介紹其光電特性和制備工藝。

ITO具有優異的光學性能，在波長550nm處，對可見光的透射率可高達85%以上，紅外反射率大于81%，紫外吸收率大于85%；而且具有低的電阻率，其電阻率一般在10-5～10-3Ω·cm之間，能隙寬度為Eg=3.5～4.3 eV；同時還具有高的硬度及耐磨性，且容易刻蝕成一定形狀的電極圖形等。

如圖3和圖4為ITO薄膜在液晶顯示器及電阻式觸摸屏中的應用。

ITO薄膜的制備技術主要有真空熱蒸發、磁控濺射、化學氣相沉積、溶膠-凝膠及噴涂熱分解法等技術，其中噴涂熱分解法和溶膠-凝膠法，工藝簡單和成本低廉，并適用于大面積的工業生產。在制備ITO薄膜過程中，沉積溫度和氧分壓對ITO薄膜電學和光學特性有較大影響。在沉積溫度方面，雖然薄膜導電性能隨沉積溫度升高而得到改善，但是升高不是無限的，而是存在一個臨街值，超過這個臨界值，導電性能會隨溫度升高而下降；另外，薄膜透射率會隨基底溫度升高而相應提高，基底溫度要求在350以上。在氧分壓方面，一般說高電導率對于氧分壓的范圍較小，但是氧分壓太小會影響薄膜的透過率，因此制備透明導電的ITO薄膜也存在一個臨界氧分壓。當然，制備ITO薄膜應該把所有可能影響ITO薄膜性能的參數考慮進去，并進行合理的優化，才能制備處高質量、滿足使用要求的ITO薄膜。

總之，不管是透明導電金屬薄膜還是透明導電氧化物薄膜，其主要難點在于把握好透過率和導電性的平衡。目前，ITO等氧化物薄膜的柔韌性和導電性不足等問題，不適合制作柔性顯示器和大面積觸摸屏。隨著制備工藝的迅猛發展，新型的透明導電薄膜材料不斷涌現，如石墨烯薄膜、金屬網格、納米銀線、碳納米管等技術，都有望成為ITO薄膜的替代品。透明導電薄膜產業的前景廣闊，值得我們持續關注。

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