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中国 发明 无效

一种可电致变色的多层透明导电薄膜及其制备方法 【EN】Electrochromic multi-layered transparent conductive thin film and preparation method therefor

申请(专利)号:CN201510974843.6国省代码:四川 51
申请(专利权)人:【中文】电子科技大学【EN】University of Electronic Science and Technology of China
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摘要:
【中文】本发明涉及薄膜及其制备方法,提供一种可电致变色的多层透明导电薄膜及其制备方法,所述多层透明导电薄膜包括从上往下依次设置的衬底、第一WO3薄膜层,Ag导电层,W缓冲层和第二WO3薄膜层;其制备方法首先通过反应溅射法在衬底上制备第一WO3薄膜层;然后分别通过直流溅射和磁控溅射在第一WO3薄膜层表面制备Ag导电层和W缓冲层;最后再通过反应溅射法在W膜层表面制备第二WO3薄膜层,本发明经过优化多层透明导电薄膜结构及制备工艺,采用溅射法制备得可电致变色的多层透明导电薄膜,且该薄膜具备可见光范围内的高透过率,高电导率,以及具有可见光透射率调节范围大、着色效率高、循环稳定性好和环境友好等优点。 【EN】Paragraph:The invention relates to a thin film and a preparation method therefor, and provides an electrochromic multi-layered transparent conductive thin film and a preparation method therefor. The multi-layered transparent conductive thin film comprises a substrate, a first WO3 thin film layer, an Ag conductive layer, a W buffer layer and a second WO3 thin film arranged from upper to lower in sequence; the preparation method comprises the steps of preparing the first WO3 thin film layer on the substrate through a reactive sputtering method; then preparing the Ag conductive layer and the W buffer layer on the surface of the first WO3 thin film layer through a direct current sputtering method and a magnetron sputtering method separately; and finally preparing the second WO3 thin film layer on the surface of the W film layer through the reactive sputtering method. The multi-layered transparent conductive thin film structure and the preparation process are optimized to prepare the electrochromic multi-layered transparent conductive thin film through the sputtering method; and the thin film has the advantages of high transmittance within a visible light range, high conductivity, large adjustment range for the visible light transmittance, high coloring efficiency, high cycling stability, environment friendliness and the like.Image:201510974843.GIF

主权项:
【中文】一种可电致变色的多层透明导电薄膜,包括从下往上依次设置的衬底、第一WO3薄膜层、Ag导电层和第二WO3薄膜层,其特征在于,所述Ag导电层与第二WO3薄膜层之间还设有W缓冲层。 【EN】1. can an electrochromic multi-layer transparent electroconductive film, comprise the substrate, the WO that set gradually from the bottom up thin layer, Ag conductive layer and the 2nd WO thin layer, is characterized in that, described Ag conductive layer and the 2nd WO w resilient coating is also provided with between thin layer.


说明书

一种可电致变色的多层透明导电薄膜及其制备方法

技术领域


本发明涉及薄膜及其制备方法,尤其涉及一种可电致变色的多层堆栈结构(stack


structure)透明导电薄膜及其制备方法。


背景技术


透明导电薄膜是把光学透明性能与导电性能复合在一体的光电材料,由于其具有优异的


光电特性,成为近年来的研究热点和前沿课题,可广泛应用于太阳能电池,电致变色,


LED,TFT,LCD及触摸屏等领域。目前最常用的透明导电材料是氧化铟锡(ITO),但由于铟金


属的稀缺性和快速消耗,导致成本的不断攀升,因此急需寻找一种相对廉价的替代材料。其


中介质-金属-介质(DMD)结构因其具有优良的光学,电学和结构特性(例如接近金属材料


的高电导率,可见光范围内的高透过率,相对较低的厚度和高柔韧性),被视为最有潜力的透


明导电替代材料。


WO3是DMD结构中最常用的一类介质薄膜材料,是发现最早且最典型的电致变色薄膜


材料,具有响应速度快和着色效率高等优点,因此WO3-Ag-WO3(WAW)结构可以同时用作


电致变色材料和透明导电薄膜,从而有效降低电致变色器件的成本。目前主要采用蒸镀的方


法来制备WAW多层薄膜结构,但主要问题是薄膜与衬底的结合力不强,无法保证器件的耐


久性,而溅射法因其具有较高的沉积能量,能够有效的解决这一问题,此外采用反应溅射法


可以使用相对廉价的金属靶材,其薄膜成分也可以通过调整溅射工艺进行控制。溅射法具有


的快速成膜,性能稳定,工艺简单,成本低廉、适合大面积生产等优势使其成为WAW制备


的研究热点。


但是,根据DMD透明导电膜的工作原理,为获得较低的电阻率,要求介质层具有较高


的表面功函数,使其与金属导电层相匹配,形成反阻挡层,提高载流子注入效率,最终达到


高的载流子传输效率。WO3和Ag的功函数分别为5.24eV和4.4ev,能够满足这一要求;然


而Ag导电层在反应溅射沉积WO3时,极容易被高能氧离子氧化形成AgxO,其功函数约为


5.47~5.61eV,在界面处形成表面势垒,阻碍Ag与WO3之间的电子交换,从而使薄膜失去


导电性。因而,如何采用溅射法制备WAW薄膜成为本发明的研究重点。


发明内容


本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一种可电致变色的多层透明导电薄膜及其制


备方法,通过对WAW薄膜的结构优化实现WAW薄膜的溅射法制备。本发明采用的技术方


案为:


一种可电致变色的多层透明导电薄膜,包括从下往上依次设置的衬底、第一WO3薄膜层、


Ag导电层和第二WO3薄膜层,其特征在于,所述Ag导电层与第二WO3薄膜层之间还设有


W缓冲层。


进一步的,所述第一WO3薄膜层、Ag导电层、W缓冲层和第二WO3薄膜层的厚度分别


为45nm、10~12nm、2~3nm和45nm。所述衬底为标准电子白玻璃。


更进一步,上述可电致变色的多层透明导电薄膜的制备方法,包括以下步骤:


步骤1.制备第一WO3薄膜层:将真空室抽真空,随后通入氩气并调节氩气气压,之后


打开射频电源开关,靶材起辉后通入氧气,调节氩气与氧气流量,使真空室内气压固定,设


定溅射功率对W靶材进行预溅射清洗,随后将衬底平台转至靶材正上方,设定溅射时间,在


衬底上沉积WO3薄膜;


步骤2.制备Ag导电层:调节氩气气压,之后打开直流电源开关,靶材起辉后调节氩气


流量,使真空室内气压固定,设定溅射功率对Ag靶材进行预溅射清洗,随后将衬底平台转


至靶材正上方,设定溅射时间,在第一WO3薄膜层上沉积Ag薄膜;


步骤3.制备W缓冲层:调节氩气气压,之后打开射频电源开关,靶材起辉后调节氩气


流量,使真空室内气压固定,设定溅射功率对W靶材进行预溅射清洗,随后将衬底平台转至


靶材正上方,设定溅射时间,在Ag导电层上沉积W薄膜;


步骤4.制备第二WO3薄膜层:调节氩气气压,之后打开射频电源开关,靶材起辉后通


入氧气,调节氩气与氧气流量,使真空室内气压固定,设定溅射功率对W靶材进行预溅射清


洗,随后将衬底平台转至靶材正上方,设定溅射时间,在W缓冲层上沉积WO3薄膜。


进一步的,步骤1中,对真空腔抽真空是采用机械泵和分子泵进行的,且真空腔的真空


度抽至2.0×10-4Pa~1.0×10-3Pa。


步骤1和步骤4中,氧气和氩气流量分别为40sccm和60sccm,射频溅射功率为200W,


沉积速率为2.5nm/min。


步骤2中,氩气流量为60sccm,直流溅射功率为10W,沉积速率为2Onm/min。


步骤3中,氩气流量为80sccm,直流溅射功率为200W,沉积速率为l5nm/min。


本发明提供衬底、第一WO3薄膜层、Ag导电层、W缓冲层和第二WO3薄膜层构成的


WO3-Ag-W-WO3堆栈结构可电致变色的多层透明导电薄膜,且W的功函数为4.55eV,非常


接近Ag的功函数,在Ag导电层和第二WO3薄膜层之间插入W金属缓冲层能够避免溅射制


备第二WO3薄膜层过程中对Ag金属导电层的破坏,同时也可作为功函数匹配层,促进电子


传输。


综上,本发明具有以下有益效果:


1)本发明采用磁控溅射技术可保证实现衬底结合力高、均匀致密的高质量多层薄膜沉积;


2)本发明工艺和设备简单、易行,使用金属靶材、成本低廉,薄膜生长速率快,适用于


大规模的工业化生产;


3)本发明所制备的多层透明导电薄膜导电性良好,光透射率调节范围大、着色效率高、


循环稳定性好,在显示器件,调光玻璃,信息存储等领域具有广阔的应用前景。


附图说明


图1为本发明可电致变色的多层透明导电薄膜的结构示意图,其中,1为衬底、2为第一


WO3薄膜层、3为Ag导电层、4为W缓冲层、5为第二WO3薄膜层。


图2为实施例1制备得的多层透明导电薄膜可见光范围内着色态和漂白态的透过率测试


曲线图。


图3为实施例1制备得的多层透明导电薄膜电压电流循环测试曲线图。


具体实施方式


下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。


实施例1


本实施例中提供可电致变色的多层透明导电薄膜,其结构如图1所示,包括从下往上依


次设置的衬底、第一WO3薄膜层、Ag导电层、W缓冲层和第二WO3薄膜层,第一WO3


膜层、Ag导电层、W缓冲层和第二WO3薄膜层的厚度分别为45nm、10~12nm、2~3nm和


45nm,衬底采用标准电子白玻璃。


其制备方法包括以下步骤:


1)制备第一WO3薄膜层:将真空室抽真空(~5.0×10-4Pa),随后通入氩气,调节氩气


气压(1.0Pa),之后打开射频电源开关,靶材起辉后通入氧气,调节氩气与氧气流量


(40:60sccm),使真空室内气压固定(4.0×10-1Pa),调节溅射功率(200W),之后对W靶材进


行预溅射清洗(10分钟),随后将衬底平台转至靶材正上方,调节溅射时间(18分钟),在玻


璃衬底上沉积WO3薄膜;


2)制备Ag导电层:调节氩气流量(60sccm),使真空室内气压固定(3.4×10-1Pa),之


后打开直流电源开关,靶材起辉后,调节溅射功率(10W),之后对Ag靶材进行预溅射清洗


(5分钟),随后将衬底平台转至靶材正上方,调节溅射时间(36秒),在第一WO3薄膜层上


沉积Ag薄膜;


3)制备W缓冲层:调节氩气气压(1.0Pa),之后打开射频电源开关,靶材起辉后,调


节氩气流量(80sccm),使真空室内气压固定(4.7×10-1Pa),调节溅射功率(200W),之后


对W靶材进行预溅射清洗(5分钟),随后将衬底平台转至靶材正上方,调节溅射时间(8秒),


在Ag导电层上沉积W薄膜;


4)制备第二WO3薄膜层:调节氩气气压(1.0Pa),之后打开射频电源开关,靶材起辉后


通入氧气,调节氩气与氧气流量(40:60sccm),使真空室内气压固定(4.0×10-1Pa),调节溅射


功率(200W),随后将衬底平台转至靶材正上方,调节溅射时间(18分钟),在W缓冲层上


沉积WO3薄膜。


对上述可电致变色的多层透明导电薄膜进行仿真测试,其结果如图2、图3所示,图2


为该多层透明导电薄膜在可见光范围内着色态和漂白态单次及2000次循环转换后的透过率


测试曲线对比图。


实施例2


采用如下步骤制备得实施例1相同结构可电致变色的多层透明导电薄膜,具体为:


1)制备第一WO3薄膜层:将真空室抽真空(~5.0×10-4Pa),随后通入氩气,调节氩气


气压(1.0Pa),之后打开射频电源开关,靶材起辉后通入氧气,调节氩气与氧气流量


(40:60sccm),使真空室内气压固定(4.0×10-1Pa),调节溅射功率(200W),之后对W靶材进


行预溅射清洗(10分钟),随后将衬底平台转至靶材正上方,调节溅射时间(18分钟),在玻


璃衬底上沉积WO3薄膜;


2)制备Ag导电层:调节氩气流量(60sccm),使真空室内气压固定(3.4×10-1Pa),之


后打开直流电源开关,靶材起辉后,调节溅射功率(10W),之后对Ag靶材进行预溅射清洗


(5分钟),随后将衬底平台转至靶材正上方,调节溅射时间(30秒),在第一WO3薄膜层上


沉积Ag薄膜;


3)制备W缓冲层:调节氩气气压(1.0Pa),之后打开射频电源开关,靶材起辉后,调


节氩气流量(80sccm),使真空室内气压固定(4.7×10-1Pa),调节溅射功率(200W),之后


对W靶材进行预溅射清洗(5分钟),随后将衬底平台转至靶材正上方,调节溅射时间(8秒),


在Ag导电层上沉积W薄膜;


4)制备第二WO3薄膜层:调节氩气气压(1.0Pa),之后打开射频电源开关,靶材起辉后


通入氧气,调节氩气与氧气流量(40:60sccm),使真空室内气压固定(4.0×10-1Pa),调节溅射


功率(200W),随后将衬底平台转至靶材正上方,调节溅射时间(18分钟),在W缓冲层上


沉积WO3薄膜。


实施例3


采用如下步骤制备得实施例1相同结构可电致变色的多层透明导电薄膜,具体为:


1)制备第一WO3薄膜层:将真空室抽真空(~5.0×10-4Pa),随后通入氩气,调节氩气


气压(1.0Pa),之后打开射频电源开关,靶材起辉后通入氧气,调节氩气与氧气流量


(40:60sccm),使真空室内气压固定(4.0×10-1Pa),调节溅射功率(200W),之后对W靶材进


行预溅射清洗(10分钟),随后将衬底平台转至靶材正上方,调节溅射时间(18分钟),在玻


璃衬底上沉积WO3薄膜;


2)制备Ag导电层:调节氩气流量(60sccm),使真空室内气压固定(3.4×10-1Pa),之


后打开直流电源开关,靶材起辉后,调节溅射功率(10W),之后对Ag靶材进行预溅射清洗


(5分钟),随后将衬底平台转至靶材正上方,调节溅射时间(30秒),在第一WO3薄膜层上


沉积Ag薄膜;


3)制备W缓冲层:调节氩气气压(1.0Pa),之后打开射频电源开关,靶材起辉后,调


节氩气流量(80sccm),使真空室内气压固定(4.7×10-1Pa),调节溅射功率(200W),之后


对W靶材进行预溅射清洗(5分钟),随后将衬底平台转至靶材正上方,调节溅射时间(9秒),


在Ag导电层上沉积W薄膜;


4)制备第二WO3薄膜层:调节氩气气压(1.0Pa),之后打开射频电源开关,靶材起辉后


通入氧气,调节氩气与氧气流量(40:60sccm),使真空室内气压固定(4.1×10-1Pa),调节溅射


功率(200W),随后将衬底平台转至靶材正上方,调节溅射时间(18分钟),在W缓冲层上

...

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图1
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