周期排列的金属微米网格的制备研究【字数：14437】
金属薄膜由于其优异的导电性和在可见光波段范围内具有较低的光学损耗而被广泛的运用在光电子学和超材料等领域，它的性能很大程度上取决于金属的表面形态与厚度，所以人们往往通过实验制备超薄且表面光滑的金属薄膜。但要获得超薄且表面光滑的金属薄膜是非常困难的[1]，由于金属颗粒的表面等离激元震荡(SP效应) [2]，金属薄膜在沉积初期趋于在基板上形成孤立的岛。薄膜的透射性由于金属颗粒的吸收和散射而变得较低。此外这些不连续的金属颗粒层也使得金属薄膜在厚度非常小的时候导电性变得很差。想要使得金属薄膜导电就必须要到达临界厚度（渗透阈值厚度），反过来厚度增加的同时又限制了薄膜的透明度，想同时提高薄膜的透射性和导电性需要降低金属膜沉积时的渗透阈值厚度。渗透阈值的厚度取决于很多因素，如金属的种类、沉积的条件、衬底减小薄膜电阻并且增加其透明性的关键在于控制金属在衬底或者下面的介质层上的润湿性，这能减少表面的粗糙度、使得渗透阈值降低。当薄膜连续的时候，局域SP效应消失，此时薄膜的透射性会得到增强。之后，随着薄膜厚度的增加，薄膜的透射性降低同时表面方块电阻也会缓慢降低。为了本课题将利用光刻技术制备周期排列的光刻胶图形，从而制备金属周期微米网格，之后再利用共溅射技术在制备出的金属周期微米网格上溅射Al和Ag，溅射的薄膜厚度小于10nm。从而实现高透射性和高导电性。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题背景与现状 1
1.2 本次毕业设计研究目标与研究内容 2
1.2.1 研究目标 2
1.2.2 研究内容 2
1.3 本章小结 3
2.实验的方法与原理 4
2.1 掩模版的设计 4
2.1.1 掩模版设计原理 4
2.1.2 掩模板设计方案 5
2.2 溅射机原理 6
2.3 自搭建的微结构透射率测试系统 8
2.3.1 项目设计背景及意义 8
2.3.2 系统设计要求及思路 8
2.3.3 系统结构原理及搭建 9
2.3.4 基于微纳结构样品的测试结果 12
2.3.5 系统设计和搭建过程中主要遇到的问题 15
2.4 四探针法测薄膜电阻 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
15
2.5 积分球测薄膜的透射谱 17
2.6 本章小结 18
3.周期排列的微米金属网格的制备 19
3.1 紫外光刻实验 19
3.1.1 光刻原理 19
3.1.2 匀胶步骤 19
3.1.3 光刻步骤 20
3.2 共溅射实验 21
3.2.1 共溅射的原理 21
3.2.2 共溅射时遇到的问题 22
3.2.3 共溅射制备掺铝银膜 22
3.3 本章小结 23
4.薄膜导电性和透射性的测试 24
4.1 100nm纯银膜性能测试 24
4.1.1 100nm纯银膜的导电性测试 24
4.1.2 100nm纯银膜的透射性测量 25
4.1.3 总结 27
4.2 掺铝银膜和超薄纯银膜的性能对比 27
4.2.1 掺铝银膜导电性测试 27
4.2.2 超薄纯银膜的导电性测试 28
4.2.3 掺铝银膜和纯银膜的透射性比较 28
4.3 本章小结 29
5. 周期排列的金属微米网格总结 30
参考文献 31
致谢 33
1 绪论
1.1 课题背景与现状
当今世界已经步入信息时代，随着互联网的普及，市场对于触摸屏、显示器这类电子器件的需求大大增加。在20062011间，市场上触摸屏的需求面积年增长率达到3040%[3]。市场调研公司Market Research Future?在2019年1月的调研报告中预计，至2023年底全球LED和OLED市场将保持24%的复合年均增长率，达到1210亿美元[4]。由于透明电极在这些电子器件中担任着重要的作用，它的需求量也随着触摸屏、显示器这类器件的需求量的增加而增加。当然除了在光电子器件的应用之外，透明电极还广泛应用于车窗解冻器、薄膜加热器等。诸如上述方面的应用使得透明导电薄膜的市场占有量在近些年来不断的扩张。目前透明导电氧化物尤其是ITO（氧化铟锡）在市场上占有很大的份额。已经有人研究出当锡的掺杂量为10wt%同时铟含量接近75wt%时，ITO的光电性能最佳[5]。因此生产ITO的同时需要消耗大量的铟元素。实际上，用在生产ITO上的铟占铟年产量的四分之三。铟在地球上的存量很少，它没有独立的矿床，主要的获取途经是以伴生矿物的形式在精炼锌的过程中得到的[6]。按照目前的发展趋势，铟在未来很长一段时间内的需求量很大，其在地壳中不到千万分之一的含量和需求大的矛盾使铟的价格持续上涨并在未来继续保持现在的趋势。此外我国工业化不断的发展，对大宗矿产的需求势必逐渐减少，而铟的产量主要受主矿矿产的约束，因此这也必将对铟的产量产生间接地影响。最重要的是，铟是重金属，对我们生活的环境也将造成不可挽回的伤害。总之，现下找出ITO的替代品是尤为重要的。
近年来，为获得综合性能更加优良的超薄金属薄膜，人们运用多种技术来调控金属表面的生长特性，通过金属材料和厚度的选择，来降低金属层的渗流阈值厚度。Zhang等人[7]用共溅射薄膜沉积技术在Ag膜中掺杂微量Al，制备了超薄、平滑和低损耗的Al掺杂Ag膜。少量Al的引入可有效抑制薄膜生长初期 Ag岛的形成，更利于连续 Ag膜的生长。Nguyen等人 [8]研究了沉积速率对透明导电薄膜的光电特性的影响, 结果发现Ag膜的渗流阈值厚度依赖于热蒸发制备Ag薄膜时的沉积速率，通过控制金属薄膜的沉积速率可在一定程度上改变其渗流阈值厚度。杨文旭[9]等人通过时域有限差分（FDTD）方法对金属薄膜纳米孔阵列的透射增强特性进行了模拟研究，研究表明大的圆孔半径和薄的薄膜厚度有利于提高透射性能，另外孔阵列周期较大时不利于增强透射。Jorik van de Groep [10]提出了一个由银纳米线的周期性二维网络组成的透明导电电极最佳传输网络的平均传输率高达91％，最佳传导网络的薄层电阻低至6.5Ω/ sq，比在玻璃上溅射的80nm厚的ITO层更低的薄层电阻和更高的光透射率。杨杰[11]等人通过一种简便的湿化学剥离工艺来制造具有电纺聚合物纤维网络作为掩模的Au网络柔性透明电极，当透明度为约90％时，获得低电阻（5.18Ω/sq）的透明电极，这与现有技术的透明电极相当。
1.2 本次毕业设计研究目标与研究内容
1.2.1 研究目标
氧化铟锡（ITO）在目前的透明导电薄膜市场上占有很大的份额，但是它含有稀有金属铟，这导致氧化铟锡（ITO）价格十分昂贵；除此之外制备氧化铟锡（ITO）采用的高真空物理气相沉积方法制备工艺成本高；最重要的一点是它的脆性弱，因此很难应用在柔性光电子器件当中。氧化锌、氧化钛等金属氧化物存在与ITO类似的脆性；PEDOT:PSS、碳纳米管[12]、石墨烯等碳基材料的电阻率高，难以与ITO相匹敌。金属具有非常优异的导电性，往往被制作成纳米线网络结构来提高其光学透过率[13][14][15]，包括Ag [16][17]，铜[18][19 ]，金[20][21][22]然而纳米线网络结构存在较大的线与线间接触电阻。近期人们发现将金属薄膜制作成微米网格不仅可以保持金属固有的高导电性，还能够提升薄膜的透明度。但是这类网格需要通过龟裂的氧化钛薄膜、干燥的鸡蛋清这类的随机模板生成，也正是由于金属网格的随机性导致薄膜的导电机理很难被定量分析。于是，本课题将利用光刻技术制备周期排列的光刻胶图形，从而制备金属周期微米网格，并对其光学和电学性质进行表征和系统分析。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题背景与现状 1
1.2 本次毕业设计研究目标与研究内容 2
1.2.1 研究目标 2
1.2.2 研究内容 2
1.3 本章小结 3
2.实验的方法与原理 4
2.1 掩模版的设计 4
2.1.1 掩模版设计原理 4
2.1.2 掩模板设计方案 5
2.2 溅射机原理 6
2.3 自搭建的微结构透射率测试系统 8
2.3.1 项目设计背景及意义 8
2.3.2 系统设计要求及思路 8
2.3.3 系统结构原理及搭建 9
2.3.4 基于微纳结构样品的测试结果 12
2.3.5 系统设计和搭建过程中主要遇到的问题 15
2.4 四探针法测薄膜电阻 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
15
2.5 积分球测薄膜的透射谱 17
2.6 本章小结 18
3.周期排列的微米金属网格的制备 19
3.1 紫外光刻实验 19
3.1.1 光刻原理 19
3.1.2 匀胶步骤 19
3.1.3 光刻步骤 20
3.2 共溅射实验 21
3.2.1 共溅射的原理 21
3.2.2 共溅射时遇到的问题 22
3.2.3 共溅射制备掺铝银膜 22
3.3 本章小结 23
4.薄膜导电性和透射性的测试 24
4.1 100nm纯银膜性能测试 24
4.1.1 100nm纯银膜的导电性测试 24
4.1.2 100nm纯银膜的透射性测量 25
4.1.3 总结 27
4.2 掺铝银膜和超薄纯银膜的性能对比 27
4.2.1 掺铝银膜导电性测试 27
4.2.2 超薄纯银膜的导电性测试 28
4.2.3 掺铝银膜和纯银膜的透射性比较 28
4.3 本章小结 29
5. 周期排列的金属微米网格总结 30
参考文献 31
致谢 33
1 绪论
1.1 课题背景与现状
当今世界已经步入信息时代，随着互联网的普及，市场对于触摸屏、显示器这类电子器件的需求大大增加。在20062011间，市场上触摸屏的需求面积年增长率达到3040%[3]。市场调研公司Market Research Future?在2019年1月的调研报告中预计，至2023年底全球LED和OLED市场将保持24%的复合年均增长率，达到1210亿美元[4]。由于透明电极在这些电子器件中担任着重要的作用，它的需求量也随着触摸屏、显示器这类器件的需求量的增加而增加。当然除了在光电子器件的应用之外，透明电极还广泛应用于车窗解冻器、薄膜加热器等。诸如上述方面的应用使得透明导电薄膜的市场占有量在近些年来不断的扩张。目前透明导电氧化物尤其是ITO（氧化铟锡）在市场上占有很大的份额。已经有人研究出当锡的掺杂量为10wt%同时铟含量接近75wt%时，ITO的光电性能最佳[5]。因此生产ITO的同时需要消耗大量的铟元素。实际上，用在生产ITO上的铟占铟年产量的四分之三。铟在地球上的存量很少，它没有独立的矿床，主要的获取途经是以伴生矿物的形式在精炼锌的过程中得到的[6]。按照目前的发展趋势，铟在未来很长一段时间内的需求量很大，其在地壳中不到千万分之一的含量和需求大的矛盾使铟的价格持续上涨并在未来继续保持现在的趋势。此外我国工业化不断的发展，对大宗矿产的需求势必逐渐减少，而铟的产量主要受主矿矿产的约束，因此这也必将对铟的产量产生间接地影响。最重要的是，铟是重金属，对我们生活的环境也将造成不可挽回的伤害。总之，现下找出ITO的替代品是尤为重要的。
近年来，为获得综合性能更加优良的超薄金属薄膜，人们运用多种技术来调控金属表面的生长特性，通过金属材料和厚度的选择，来降低金属层的渗流阈值厚度。Zhang等人[7]用共溅射薄膜沉积技术在Ag膜中掺杂微量Al，制备了超薄、平滑和低损耗的Al掺杂Ag膜。少量Al的引入可有效抑制薄膜生长初期 Ag岛的形成，更利于连续 Ag膜的生长。Nguyen等人 [8]研究了沉积速率对透明导电薄膜的光电特性的影响, 结果发现Ag膜的渗流阈值厚度依赖于热蒸发制备Ag薄膜时的沉积速率，通过控制金属薄膜的沉积速率可在一定程度上改变其渗流阈值厚度。杨文旭[9]等人通过时域有限差分（FDTD）方法对金属薄膜纳米孔阵列的透射增强特性进行了模拟研究，研究表明大的圆孔半径和薄的薄膜厚度有利于提高透射性能，另外孔阵列周期较大时不利于增强透射。Jorik van de Groep [10]提出了一个由银纳米线的周期性二维网络组成的透明导电电极最佳传输网络的平均传输率高达91％，最佳传导网络的薄层电阻低至6.5Ω/ sq，比在玻璃上溅射的80nm厚的ITO层更低的薄层电阻和更高的光透射率。杨杰[11]等人通过一种简便的湿化学剥离工艺来制造具有电纺聚合物纤维网络作为掩模的Au网络柔性透明电极，当透明度为约90％时，获得低电阻（5.18Ω/sq）的透明电极，这与现有技术的透明电极相当。
1.2 本次毕业设计研究目标与研究内容
1.2.1 研究目标
氧化铟锡（ITO）在目前的透明导电薄膜市场上占有很大的份额，但是它含有稀有金属铟，这导致氧化铟锡（ITO）价格十分昂贵；除此之外制备氧化铟锡（ITO）采用的高真空物理气相沉积方法制备工艺成本高；最重要的一点是它的脆性弱，因此很难应用在柔性光电子器件当中。氧化锌、氧化钛等金属氧化物存在与ITO类似的脆性；PEDOT:PSS、碳纳米管[12]、石墨烯等碳基材料的电阻率高，难以与ITO相匹敌。金属具有非常优异的导电性，往往被制作成纳米线网络结构来提高其光学透过率[13][14][15]，包括Ag [16][17]，铜[18][19 ]，金[20][21][22]然而纳米线网络结构存在较大的线与线间接触电阻。近期人们发现将金属薄膜制作成微米网格不仅可以保持金属固有的高导电性，还能够提升薄膜的透明度。但是这类网格需要通过龟裂的氧化钛薄膜、干燥的鸡蛋清这类的随机模板生成，也正是由于金属网格的随机性导致薄膜的导电机理很难被定量分析。于是，本课题将利用光刻技术制备周期排列的光刻胶图形，从而制备金属周期微米网格，并对其光学和电学性质进行表征和系统分析。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/dzxx/gdxx/48.html
