超薄金属透明导电膜及其应用研究进展

透明导电薄膜被广泛地应用于显示、太阳能电池、发光二极管等光电子器件。近年来,随着信息技术和新材料的不断革新,柔性电子器件在显示、能源及可穿戴等领域得以迅速发展,这对透明导电薄膜的柔性化提出了新的挑战。相比于其他类型柔性透明导电薄膜,超薄金属导电薄膜具有柔性好、导电性好、光电性能均匀、稳定性好、成本低和可大规模制备等优点,有望成为替代ITO的理想材料。超薄金属薄膜的生长和其光电特性息息相关。与常规电介质衬底相比,金属普遍具有较大的表面能,因而金属薄膜在衬底表面通常按照岛状模式生长,阈值厚度高。对薄膜厚度低于阈值厚度的金属薄膜而言,在电学特性方面,纳米团簇形貌使电子在薄膜晶界和表面被过多散射,电子迁移率受到抑制,从而导致电阻率较高。而在光学特性方面,离散的纳米团簇也会引起局域表面等离子体共振,使超薄金属薄膜的透过率曲线在特定波长处明显下降。尽管进一步增加薄膜厚度可以降低电阻率,但厚度的增加会使透过率下降。因此,金属薄膜的超薄、低阈值厚度连续生长是同时获得良好的光学和电学特性的关键。已有的降低超薄金属薄膜阈值厚度的方法包括添加氧化物缓冲层和金属种子层、表面处理、掺杂及低温沉积等。其中添加氧化物的方法因可选择材料种类丰富、制备工艺简单可控等优点,成为制备超薄金属薄膜最普遍的方法;引入金属种子层和掺杂的方法可有效提高金属薄膜的润湿性,然而,其他金属的引入会带来薄膜光学损耗的问题;表面处理的方法对薄膜光学性能的影响较小,其利用聚合物分子层的官能团与金属原子间的键合作用抑制金属原子的扩散;对温度精确控制的要求较高和设备昂贵使低温沉积法的推广面临挑战。本文概述了超薄金属透明导电薄膜的最新研究进展,归纳总结了超薄金属薄膜的生长模式、电学特性和光学特性,重点介绍了降低超薄金属薄膜阈值厚度、实现薄膜连续化生长的多种方法及原理,分析了超薄金属薄膜在太阳能电池、OLEDs、长程表面等离子体激元波导以及Low-E涂层领域的应用情况。最后讨论了超薄金属透明导电膜未来的发展方向。