InfoMat:化学沉积技术生长的氧化镍薄膜-用于下一代刚性和柔性器件的潜在应用及挑战

过去十年来,氧化物半导体取得了显著的进步,并被广泛应用于各种电子设备,包括薄膜晶体管、光电器件、发光二极管、传感器、非易失性存储器件和催化剂等。特别是在环境条件下运行时,氧化物的电子特性对机械变形或退化的弹性,以及在低温下制造具有器件质量的氧化物的能力,使金属氧化物半导体成为基于聚合物、纤维素、纺织物和弹性衬底的柔性电子产品的主要材料。

氧化镍(NiOx)是一种P型氧化物半导体,因其高透光率、优异的机械性能、低加工成本、加工工艺简单、可大规模生长以及广泛可调的电子性能等特点,被广泛应用于新兴光电子学和p‐n异质结。此外,NiOx具有高电阻温度系数、高理论比容量和高催化活性,被用于制造超级电容器、热敏电阻、锂离子电池、CO或H2O氧化催化剂。

作为一种简单的二元化合物,NiOx薄膜可以通过多种沉积方法获得,如物理气相沉积法(PVD),化学气相沉积法(CVD),原子层沉积(ALD)以及一系列的化学溶液沉积技术。然而,不同的制备方法和条件对NiOx的性质有极大地影响。PVD技术实现了对薄膜组成和电子特性的精确控制,但化学沉积技术的可扩展性和低成本的优势使其成为替代PVD技术的有力竞争者。目前,化学沉积技术的最新研究进展已经实现了较低的处理温度,以及在大气压力下具有更高产量的沉积能力,促进与用于柔性电子器件的聚合物和纤维素基板的兼容性。

图1 涵盖NiOx性质、生长方法、及其在设备中应用的示意图

来自英国剑桥大学的Robert L. Z. Hoye教授和Judith Driscoll教授团队从NiOx的电子结构入手,首先介绍了非化学计量比对NiOx薄膜电学和磁学性能的影响。然后讨论了制备NiOx薄膜的化学沉积法的最新研究进展及其优缺点,主要有CVD,ALD和溶液沉积法。目前可用于制备NiOx薄膜的溶液沉积方法包括喷雾热解、旋转和浸涂,以及喷墨打印。分别讨论了不同制备方法的前驱体和生长条件对薄膜组份和电学性能的影响。然而,所有的化学沉积技术可控性差,为了提高和稳定NiOx薄膜性能,通常会采用退火或等离子、紫外线照射等表面改性等方法进行后处理。

图2 A. NiO的能带结构;B. 在富O和富Ni条件下生长的NiO的计算缺陷图

最后,作者介绍了用化学法生长的NiOx薄膜分别用于柔性和刚性器件的最新进展和挑战,包括电阻开关、薄膜晶体管、p‐n结、光电和发光二极管以及传感器中的应用以及如何通过调整薄膜的各项性能以满足目标应用。

为了满足新兴柔性电子领域应用的广泛需求,如可穿戴电子设备、柔性太阳能电池、表皮设备、人造皮肤、仿生医用植入物、先进的外科手术工具、曲面显示器和可折叠设备,人们对柔性、轻便、可伸缩设备的需求越来越大。其中,使用聚合物、纤维素和纺织物等作为柔性电子器件的衬底是降低生产成本的关键。这些柔性衬底均具有在低温下进行加工的特点。因此,在与大多数聚合物基质相容的较低温度下,开发具有合适电子特性的NiOx制备方法十分关键。

图3 A. 柔性聚合物衬底及其玻璃化转变温度;B. 溶液法制备氧化物的平均加工温度变化趋势

氧化镍是一种非常著名的p型二元氧化物,其缺陷化学研究已有几十年之久。近几年,随着其在电子和能源设备的广泛应用,这个简单化合物的重要性才凸显出来。NiOx的许多特性,如电导率和功函数,对沉积技术、化学选择和生长条件都很敏感。上述特性可以通过多种沉积后处理进一步改善。然而,要了解如何控制NiOx的性质,需要进行更基础的工作。化学法生长的薄膜性能优化将大大得益于对不同取向的外延类单晶薄膜的基础研究和通过PVD在更高温度下生长的完美薄膜的研究。将理想系统的信息用于理解在低温生长的化学法不一定是最直接的,但是了解什么是可能的关键起点。作者认为新的方法,如机器学习,很可能是理解非平衡和其他化学效应的影响的关键,以指导在低温条件下利用化学法制备薄膜材料的性能优化。

该工作InfoMat上以题为“Nickel oxide thin films grown by chemical deposition techniques: Potential and challenges in next‐generation rigid and flexible device applications”在线发表。(DOI: 10.1002/inf2.12146)