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一种透明导电FTO/Ag/FTO复合薄膜的制备方法 【EN】Method for preparing transparent conductive FTO/Ag/FTO composite film

申请(专利)号:CN201410242548.7国省代码:天津 12
申请(专利权)人:【中文】天津大学【EN】Tianjin University
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摘要:
【中文】本发明公开了一种透明导电FTO/Ag/FTO复合薄膜的制备方法,首先采用等静压固相反应合成工艺制备FTO靶材,其化学式为SnO2-0.5xFx,其中0.04≤x≤0.3;再采用磁控溅射法,交替溅射,限制层厚,制备出“三文治结构”的FTO/Ag/FTO复合薄膜(底层为FTO薄膜,中间层为Ag薄膜,顶层为FTO薄膜),实现了薄膜电阻的最大程度降低,同时保持在可见光区的高透过率。本发明成本低廉,工艺简单,电学性能优良,适合工业化生产,具有良好的应用前景。 【EN】Paragraph:The invention discloses a method for preparing a transparent conductive FTO/Ag/FTO composite film. The method comprises the following steps: firstly, preparing a FTO target by adopting an isostatic pressing solid-phase reaction synthetic process, wherein the chemical formula is SnO2-0.5xFx; x is smaller than or equal to 0.3 and greater than or equal to 0.04; alternately sputtering by adopting a magnetron sputtering method, and limiting the layer thickness, so as to prepare a FTO/Ag/FTO composite film (the bottom layer is an FTO film, the middle layer is an Ag film, and the top layer is an FTO film) with a 'sandwich structure', so that the film resistance is reduced to the maximal extent, and meanwhile, high transmittance of a visible light zone is kept. The method is low in cost, simple in process, excellent in electrical properties, and applicable to industrial production, and has a good application prospect.Image:201410242548.GIF

主权项:
【中文】一种透明导电FTO/Ag/FTO复合薄膜的制备方法,具有如下步骤:(1)采用等静压固相反应合成工艺制备FTO靶材,其化学式为SnO2‑0.5xFx,其中0.04≤x≤0.3;按SnO2‑0.5xFx,其中0.04≤x≤0.3的化学计量比称取SnO2和SnF2粉体原料,充分混合后,先预压成型,然后采用冷等静压成型,最后置于电炉中,由室温逐步升温至200℃保温10小时,然后逐步升温至1000℃保温2小时,烧制FTO靶材;(2)将步骤(1)制成的FTO靶材与Ag靶材一同装入磁控溅射腔体内;再先后使用丙酮、无水乙醇和去离子水超声洗涤衬底,并用高纯氮气吹干,然后将其装入磁控溅射腔体内;FTO靶材与衬底的距离为40mm~90mm;(3)待步骤(2)完成后,将磁控溅射系统的本底真空度抽至6.0×10‑5Torr~6.0×10‑7Torr,使用Ar和O2作为溅射气体溅射FTO层;溅射功率为50~200W,进行沉积得到FTO层;FTO层的薄膜厚度为20nm~120nm;(4)待步骤(3)完成后,停止通入Ar和O2,将磁控溅射系统的真空度抽至6.0×10‑5Torr~6.0×10‑7Torr,然后使用Ar作为溅射气体溅射Ag层;溅射功率30~200W,进行沉积得到Ag层;Ag层的薄膜厚度为3nm~20nm;(5)待步骤(4)完成后,重复步骤(3)操作,将磁控溅射系统的本底真空度抽至6.0×10‑5Torr~6.0×10‑7Torr,使用Ar和O2作为溅射气体溅射FTO层;溅射功率为50~200W,进行沉积得到FTO层;制得透明导电FTO/Ag/FTO复合薄膜。 【EN】1. a preparation method for electrically conducting transparent FTO/Ag/FTO laminated film, has following steps: (1) employing waits static pressure solid state reaction synthesis technique to prepare FTO target, and its chemical formula is SnO f , wherein 0.04≤x≤0.3; Press SnO f , wherein the stoichiometric ratio of 0.04≤x≤0.3 takes SnO and SnF powder raw material, after fully mixing, first pre-molding, then adopts cold isostatic compaction, is finally placed in electric furnace, is progressively warming up to 200 DEG C of insulations 10 hours by room temperature, is then progressively warming up to 1000 DEG C of insulations 2 hours, fires FTO target; (2) the FTO target of step (1) being made and Ag target together pack in magnetron sputtering cavity; Successively use again acetone, dehydrated alcohol and deionized water supersound washing substrate, and dry up with high pure nitrogen, then packed in magnetron sputtering cavity; The distance of FTO target and substrate is 40mm~90mm; (3), after step (2) completes, the base vacuum degree of magnetic control sputtering system is evacuated to 6.0 × 10 torr~6.0 × 10 torr, uses Ar and O as sputter gas sputter FTO layer; Sputtering power is 50~200W, deposits and obtains FTO layer; The film thickness of FTO layer is 20nm~120nm; (4) after step (3) completes, stop passing into Ar and O , the vacuum tightness of magnetic control sputtering system is evacuated to 6.0 × 10 torr~6.0 × 10 torr, then uses Ar as sputter gas sputter Ag layer; Sputtering power 30~200W, deposits and obtains Ag layer; The film thickness of Ag layer is 3nm~20nm; (5), after step (4) completes, repeating step (3) operation, is evacuated to 6.0 × 10 by the base vacuum degree of magnetic control sputtering system torr~6.0 × 10 torr, uses Ar and O as sputter gas sputter FTO layer; Sputtering power is 50~200W, deposits and obtains FTO layer; Make electrically conducting transparent FTO/Ag/FTO laminated film.


说明书

一种透明导电FTO/Ag/FTO复合薄膜的制备方法

技术领域


本发明属于功能薄膜材料及薄膜光学领域,尤其涉及一种透明导电FTO/Ag/FTO复合


薄膜的制备方法。


背景技术


透明导电氧化物(TCO)薄膜由于具有高的可见光透射率和低的电阻率,在抗静电涂层、


触摸显示屏、太阳能电池、平板显示、发热器、防结冰装置、光学涂层以及透明光电子等


方面具有广阔的发展前景。虽然ITO薄膜是目前综合光电性能优异、应用最为广泛的一种


透明导电薄膜材料,但是铟有毒,价格昂贵,稳定性差,在氢等离子体气氛中容易被还原


等问题,人们力图寻找一种价格低廉且性能优异的ITO替换材料。其中,掺氟的二氧化锡


(F-doped SnO2,简称FTO薄膜)具有材料廉价,无毒,可以同ITO相比拟的电学和光学性


能等特点,已成为最具竞争力的透明导电薄膜材料。


采用磁控溅射方法制备透明导电薄膜,具有沉积速率高、薄膜附着性好、易控制并能


实现大面积沉积等优点,因而成为当今工业化生产中研究最多、工艺最成熟和应用最广的


一项方法。但是,低温下制备,不加热处理,难以得到低电阻率的FTO薄膜。


超薄导电金属层也可以作为透明导电膜,但目前能应用的只有金、银和铂等电阻率低


且化学稳定性好的贵金属,但金和铂成本昂贵,限制了其应用。因此我们选用Ag作为导电


金属层制备FTO/Ag/FTO复合薄膜。


发明内容


本发明的目的,在于克服现有技术中的不足,利用掺杂和磁控溅射沉积技术,提供一种


成本低廉而性能优良的透明导电FTO/Ag/FTO多复合薄膜的制备方法。


本发明通过如下技术方案予以实现。


一种透明导电FTO/Ag/FTO复合薄膜的制备方法,具有如下步骤:


(1)采用等静压固相反应合成工艺制备FTO靶材,其化学式为SnO2-0.5xFx,其中


0.04≤x≤0.3;


按SnO2-0.5xFx,其中0.04≤x≤0.3的化学计量比称取SnO2和SnF2粉体原料,充分混合后,


先预压成型,然后采用冷等静压成型,最后置于电炉中,由室温逐步升温至200℃保温10


小时,然后逐步升温至1000℃保温2小时,烧制FTO靶材;


(2)将步骤(1)制成的FTO靶材与Ag靶材一同装入磁控溅射腔体内;


再先后使用丙酮、无水乙醇和去离子水超声洗涤衬底,并用高纯氮气吹干,然后将其


装入磁控溅射腔体内;FTO靶材与衬底的距离为40mm~90mm;


(3)待步骤(2)完成后,将磁控溅射系统的本底真空度抽至1.0×10-5Torr以下,使用


Ar和O2作为溅射气体溅射FTO层;溅射功率为50~200W,进行沉积得到FTO层;FTO层


的薄膜厚度为20nm~120nm;


(4)待步骤(3)完成后,停止通入Ar和O2,将磁控溅射系统的真空度抽至5.0×10-5
Torr以下,然后使用Ar作为溅射气体溅射Ag层;溅射功率30~200W,进行沉积得到Ag


层;Ag层的薄膜厚度为3nm~20nm;


(5)待步骤(4)完成后,重复步骤(3)操作,将磁控溅射系统的本底真空度抽至1.0×10-5
Torr以下,使用Ar和O2作为溅射气体溅射FTO层;溅射功率为50~200W,进行沉积得


到FTO层;制得透明导电FTO/Ag/FTO复合薄膜。


所述步骤(1)的粉体原料SnO2和SnF2的纯度均在99.9%以上。


所述步骤(2)的Ag靶材中的Ag纯度为99.999%,可以为任意市售或者自制靶材。


所述步骤(2)的衬底为玻璃衬底、石英衬底或者蓝宝石衬底。


所述步骤(3)或(5)的Ar和O2的气体纯度在99.99%以上,磁控溅射系统中的氧气


和氩气的分压比在1/40与1/5之间,溅射总气压<5mTorr。


所述步骤(3)或(5)的FTO层薄膜厚度为30nm~60nm,该薄膜厚度通过调节工艺


参数或者沉积时间进行控制。


所述步骤(4)的Ar气体纯度在99.99%以上,溅射气压为3mTorr~20mTott


所述步骤(4)的Ag层薄膜厚度为9nm~11nm,该薄膜厚度通过调节工艺参数或者


沉积时间进行控制。


本发明的有益效果如下:


本发明提供的透明导电FTO/Ag/FTO复合薄膜的制备方法,采用磁控溅射法,交替溅


射,限制层厚,制备出“三文治结构”的FTO/Ag/FTO复合薄膜(三文治结构的底层为FTO


薄膜,中间层为Ag薄膜,顶层为FTO薄膜),实现了薄膜电阻的最大程度降低,同时保持


在可见光区的高透过率。利用磁控溅射工艺可以得到性能优异的三文治结构的透明导电薄


膜。本发明成本低廉,制备工艺简单,电学性能优良,适合工业化生产,具有良好的应用


前景。


附图说明


图1为实施例1的石英衬底上FTO/Ag/FTO复合薄膜的光学透过性能(紫外-可见光谱)


图谱。


具体实施方式


下面结合具体实施例对本发明做进一步阐述,应理解,这些实施例仅用于说明本发明


而不用于限制本发明的保护范围。


实施例1


(1)采用标准的等静压固相反应合成工艺制备SnO1.92F0.16靶材。用电子天平按


SnO1.92F0.16的对应元素的化学计量比称取SnO2和SnF2粉体原料,纯度均为99.9%。经充分


混合后,先预压成型(50MPa),然后采用冷等静压(200MPa),最后置于电炉中逐步升温至


200℃保温10小时,然后逐步升温至1000℃保温2小时,烧制FTO靶材。


(2)将FTO靶材与Ag靶材一起装入真空腔体内;


然后,先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗石英衬底,并用高纯氮气吹干,放


入真空腔体;FTO靶材与石英衬底的距离为60mm。


(3)将磁控溅射系统的本底真空度抽至1.0×10-5Torr。通入60sccm的氩气和4sccm的


氧气,压强调节为2mTorr。溅射功率为150W,进行沉积得到50nm厚的FTO薄膜。


(4)将磁控溅射系统的本底真空度抽至5.0×10-5Torr。通入60sccm的氩气,压强调节


为10mTorr。溅射功率为100W,进行沉积得到10nm厚的Ag薄膜。


(5)将磁控溅射系统的本底真空度抽至1.0×10-5Torr。通入60sccm的氩气和4sccm的


氧气,压强调节为2mTorr。溅射功率为150W,进行沉积得到50nm厚的FTO薄膜。


检测结果详见图1和表1。


图1为实施例1中制备在石英衬底上FTO/Ag/FTO复合薄膜样品的光学透过性能(紫


外-可见光谱)图谱,可见在可见光范围内的平均光学透过率达95%。


经检测所得的FTO/Ag/FTO复合薄膜的导电性能如表1所示。得到的FTO/Ag/FTO多


层薄膜的方块电阻为9Ω/□。


实施例2


(1)采用标准的等静压固相反应合成工艺制备SnO1.92F0.16靶材。用电子天平按


SnO1.92F0.16的对应元素的化学计量比称取SnO2和SnF2粉体原料,纯度均为99.9%。经充分


混合后,先预压成型(50MPa),然后采用冷等静压(200MPa),最后置于电炉中逐步升温至


200℃保温10小时,然后逐步升温至1000℃保温2小时,烧制FTO靶材。


(2)将FTO靶材与Ag靶材一起装入真空腔体内;


然后,先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗石英衬底,并用高纯氮气吹干,放


入真空腔体;FTO靶材与石英衬底的距离为60mm。


(3)将磁控溅射系统的本底真空度抽至1.0×10-5Torr。通入60sccm的氩气和4sccm的


氧气,压强调节为2mTorr。溅射功率为150W,进行沉积得到50nm厚的FTO薄膜。


(4)将磁控溅射系统的本底真空度抽至5.0×10-5Torr。通入60sccm的氩气,压强调节


为10mTorr。溅射功率为100W,进行沉积得到8nm厚的Ag薄膜。


(5)将磁控溅射系统的本底真空度抽至1.0×10-5Torr。通入60sccm的氩气和4sccm的


氧气,压强调节为2mTorr。溅射功率为150W,进行沉积得到50nm厚的FTO薄膜。


经检测所得的FTO/Ag/FTO复合薄膜的导电性能如表1所示。得到的FTO/Ag/FTO多


层薄膜的方块电阻为15Ω/□。


实施例3


(1)采用标准的等静压固相反应合成工艺制备SnO1.92F0.16靶材。用电子天平按


SnO1.92F0.16的对应元素的化学计量比称取SnO2和SnF2粉体原料,纯度均为99.9%。经充分


混合后,先预压成型(50MPa),然后采用冷等静压(200MPa),最后置于电炉中逐步升温至


200℃保温10小时,然后逐步升温至1000℃保温2小时,烧制FTO靶材。


(2)将FTO靶材与Ag靶材一起装入真空腔体内。


然后,先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗石英衬底,并用高纯氮气吹干,放


入真空腔体,FTO靶材与石英衬底的距离为60mm。


(3)将磁控溅射系统的本底真空度抽至1.0×10-5Torr。通入60sccm的氩气和4sccm的


氧气,压强调节为2mTorr。溅射功率为150W,进行沉积得到50nm厚的FTO薄膜。


(4)将磁控溅射系统的本底真空度抽至5.0×10-5Torr。通入60sccm的氩气,压强调节


为10mTorr。溅射功率为100W,进行沉积得到6nm厚的Ag薄膜。


(5)将磁控溅射系统的本底真空度抽至1.0×10-5Torr。通入60sccm的氩气和4sccm的


氧气,压强调节为2mTorr。溅射功率为150W,进行沉积得到50nm厚的FTO薄膜。


经检测所得的FTO/Ag/FTO复合薄膜的导电性能如表1所示。得到的FTO/Ag/FTO多


层薄膜的方块电阻为23Ω/□。


实施例4


(1)采用标准的等静压固相反应合成工艺制备SnO1.92F0.16靶材。用电子天平按


SnO1.92F0.16的对应元素的化学计量比称取SnO2和SnF2粉体原料,纯度均为99.9%。经充分


混合后,先预压成型(50MPa),然后采用冷等静压(200MPa),最后置于电炉中逐步升温至


200℃保温10小时,然后逐步升温至1000℃保温2小时,烧制FTO靶材。


(2)将FTO靶材与Ag靶材一起装入真空腔体内。


然后,先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗石英衬底,并用高纯氮气吹干,放


入真空腔体,FTO靶材与石英衬底的距离为60mm。


(3)将磁控溅射系统的本底真空度抽至1.0×10-5Torr。通入60sccm的氩气和4sccm的


氧气,压强调节为2mTorr。溅射功率为150W,进行沉积得到30nm厚的FTO薄膜。


(4)将磁控溅射系统的本底真空度抽至5.0×10-5Torr。通入60sccm的氩气,压强调节


为10mTorr。溅射功率为100W,进行沉积得到10nm厚的Ag薄膜。


(5)将磁控溅射系统的本底真空度抽至1.0×10-5Torr。通入60sccm的氩气和4sccm的


氧气,压强调节为2mTorr。溅射功率为150W,进行沉积得到30nm厚的FTO薄膜。


经检测所得的FTO/Ag/FTO复合薄膜的导电性能如表1所示。得到的FTO/Ag/FTO多


层薄膜的方块电阻为10Ω/□。


实施例5


(1)采用标准的等静压固相反应合成工艺制备SnO1.92F0.16靶材。用电子天平按


SnO1.92F0.16的对应元素的化学计量比称取SnO2和SnF2粉体粉体,纯度均为99.9%。经充分


混合后,先预压成型(50MPa),然后采用冷等静压(200MPa),最后置于电炉中逐步升温至


200℃保温10小时,然后逐步升温至1000℃保温2小时,烧制FTO靶材。


(2)将FTO靶材与Ag靶材一起装入真空腔体内。


然后,先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗石英衬底,并用高纯氮气吹干,放


入真空腔体,FTO靶材与石英衬底的距离为60mm。


(3)将磁控溅射系统的本底真空度抽至1.0×10-5Torr。通入60sccm的氩气和4sccm的


氧气,压强调节为2mTorr。溅射功率为150W,进行沉积得到70nm厚的FTO薄膜。


(4)将磁控溅射系统的本底真空度抽至5.0×10-5Torr。通入60sccm的氩气,压强调节


为10mTorr。溅射功率为100W,进行沉积得到10nm厚的Ag薄膜。


(5)将磁控溅射系统的本底真空度抽至1.0×10-5Torr。通入60sccm的氩气和4sccm的


氧气,压强调节为2mTorr。溅射功率为150W,进行沉积得到70nm厚的FTO薄膜。


经检测所得的FTO/Ag/FTO复合薄膜的导电性能如表1所示。得到的FTO/Ag/FTO多


层薄膜的方块电阻为18Ω/□。


表1


实施例


Ag层厚度(nm)


FTO层厚度(nm)


方块电阻(Ω/□)


1


10


50


9


2


8


50


15


3


6


50


23


4


10


30


10


5

...

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图1
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