透明导电薄膜的光电特性，你知多少？
光学薄膜前沿又添新成员了，在透明导电薄膜方向，我们的光膜幻影加入了我们的大家庭，光膜幻影，安徽合肥工业大学的研究生，研究方向：导电薄膜，目前光学薄膜前沿团队的4大骨干有来自吉林大学光学系的月莫，毕业于长春理工的小凯，毕业于上海光机所的小龙，辽宁大学新闻系毕业的付冠杰，为我们的新媒体注入生命新鲜，注入力量，只为更专业的传播和科普光学薄膜材料的知识，技术成功孵化，为中国的产学研结合做出自己一点点的努力。
当下，在液晶显示器、触摸屏、太阳能电池、气体传感器、建筑用玻璃幕墙、飞机和汽车窗导热玻璃等产品中，透明导电薄膜材料得到了广泛应用；它作为一种新型的光电薄膜，正好能把光学透明性能和导电性能上乘的结合在一起，未来在科学研究和产品应用方面将会越来越突出其重要地位！
然而，对于这种新型透明导电薄膜的光电特性，你又知道多少？本文就从专业角度，对透明导电金属薄膜和透明导电氧化物薄膜的光电特性普及一些基础性知识！
按照材料组成不同，透明导电薄膜可分为四大类别：
透明导电金属薄膜、透明导电氧化物薄膜、非氧化物透明导电化合物薄膜和导电性颗粒分散介质体。
1、透明导电金属薄膜
金属薄膜的薄厚决定了其光电性能的优良，但受现有工艺水平所限，其应用范围较为局限！
以金、银、铜、铂等金属为例，这些金属的自由载流子的浓度约为1020个/cm3，可使它们的等离子频率落在近紫外光区，使得其在可见光区是不透明的。同时，金属薄膜在可见光和红外波段都具有良好的反射性。如果想要得到在可见光波段透明的金属薄膜，同时保持其在红外波段的高反射特性，就需要将金属薄膜的厚度制备得极薄。
根据能量守恒定律，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须降低其反射率或吸收率。许多实验证明，当金属薄膜厚度小于20nm时，对光的反射和吸收都会减小，此时的金属薄膜对可见光具有较好的透光性，如图1为铝薄膜在3nm、10nm和15nm在可见光近红外波段的透射率曲线。为了达到产品对透过率的高要求，导电透明金属薄膜的厚度必须控制在3～15nm之间。然而，实际制备厚度小于10nm的金属薄膜，极易形成岛状结构，没法连成一片，使薄膜电阻率明显提高,并且高低起伏的岛状结构会引起入射光的散射，从而影响薄膜的透射率。
图1不同厚度的铝薄膜的透过率
图2极薄金属薄膜的岛状结构图
目前，可以采用等离子辅助等技术来减少岛状结构的形成，但是，极薄的金属薄膜的电阻率仍然受表面效应和杂质的影响。同时，大部分金属薄膜与透明的玻璃基底之间的附着力都较差。因此，虽然从理论上金属薄膜可以成为良好的透明导电薄膜，但是要制备出极薄的金属薄膜依然受限于现有的工艺水平，导致其应用范围有限。
2、透明导电氧化物薄膜
日常许多光电产品中，如液晶显示器、触摸屏和太阳能薄膜等，对透明度和导电性的要求都较高。由于优良的光电特性和成熟的制备工艺，透明导电氧化物薄膜在光电子应用中占据着主导地位，具有广泛和重要的应用前景。
透明导电氧化物薄膜材料是半导体中重要的一种，这里我们以氧化铟锡（ITO）透明导电薄膜为典型例子，简要介绍其光电特性和制备工艺。
ITO具有优异的光学性能，在波长550nm处，对可见光的透射率可高达85%以上，红外反射率大于81%，紫外吸收率大于85%；而且具有低的电阻率，其电阻率一般在10-5～10-3Ω·cm之间，能隙宽度为Eg=3.5～4.3 eV；同时还具有高的硬度及耐磨性，且容易刻蚀成一定形状的电极图形等。
如图3和图4为ITO薄膜在液晶显示器及电阻式触摸屏中的应用。
ITO薄膜的制备技术主要有真空热蒸发、磁控溅射、化学气相沉积、溶胶-凝胶及喷涂热分解法等技术，其中喷涂热分解法和溶胶-凝胶法，工艺简单和成本低廉，并适用于大面积的工业生产。在制备ITO薄膜过程中，沉积温度和氧分压对ITO薄膜电学和光学特性有较大影响。在沉积温度方面，虽然薄膜导电性能随沉积温度升高而得到改善，但是升高不是无限的，而是存在一个临街值，超过这个临界值，导电性能会随温度升高而下降；另外，薄膜透射率会随基底温度升高而相应提高，基底温度要求在350以上。在氧分压方面，一般说高电导率对于氧分压的范围较小，但是氧分压太小会影响薄膜的透过率，因此制备透明导电的ITO薄膜也存在一个临界氧分压。当然，制备ITO薄膜应该把所有可能影响ITO薄膜性能的参数考虑进去，并进行合理的优化，才能制备处高质量、满足使用要求的ITO薄膜。
总之，不管是透明导电金属薄膜还是透明导电氧化物薄膜，其主要难点在于把握好透过率和导电性的平衡。目前，ITO等氧化物薄膜的柔韧性和导电性不足等问题，不适合制作柔性显示器和大面积触摸屏。随着制备工艺的迅猛发展，新型的透明导电薄膜材料不断涌现，如石墨烯薄膜、金属网格、纳米银线、碳纳米管等技术，都有望成为ITO薄膜的替代品。透明导电薄膜产业的前景广阔，值得我们持续关注。
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