Advanced Optical Materials:“金属透明导电薄膜”综述——材料制备、光学设计和应用场景

透明导电薄膜是构成太阳能电池、光电探测器、发光二极管、平板显示器、触摸屏、和智能窗等光电子器件的重要组成元件之一。近些年,随着可穿戴设备和曲屏手机等柔性光电子器件的快速发展,人们对透明导电薄膜的机械柔韧性提出了新的要求。当前,应用最广泛的透明导电薄膜是氧化铟锡(ITO)。ITO具备良好的可见光透过率和较低的电阻率,但其机械强度和柔韧性较差,不适用于柔性光电子器件。为解决该问题,科研人员探索了多种ITO-free的透明导电薄膜,包括金属薄膜、金属网格或纳米线、二维材料、导电聚合物等。其中,金属薄膜的制备工艺简单,机械柔韧性优良。通过卷对卷(roll-to-roll)等制造工艺,可以实现金属薄膜在柔性衬底上的大面积、低缺陷和低成本的沉积。过去的十多年中,科研人员围绕“金属透明导电薄膜”的制备工艺、结构设计和器件应用等方面开展了众多的研究。

密歇根大学L. Jay Guo教授和华中科技大学张诚教授(共同通讯作者)、宁波融光纳米科技CTO季陈刚博士、密歇根大学Yong-Bum Park博士系统总结了金属透明导电薄膜在材料选择、微纳加工制备、性质表征、光学结构设计以及光电子器件应用等方面的最新进展。该综述文章发表在Advanced Optical Materials上(DOI: 10.1002/adom.202001298)。

文章首先围绕金属材料的电阻率和光学折射率的相关理论基础进行分析,讨论了适宜于透明导电电极应用的金属材料的选取方法。通过对金属材料薄膜沉积的物理机制的说明,指出常见金属材料(如:金、银、铜)在薄膜制备中会遭遇难以形成高品质超薄膜的挑战。随后,详细介绍了多种打破薄膜沉积的内在限制,制备超薄(< 15 nm)、表面平整、高稳定性和低损耗的金属薄膜的方法,并对每种方法的优缺点和适用场景进行了分析。文章详细介绍了光谱椭偏测量技术的基础知识及其在金属薄膜的光学折射率、膜厚等参数表征中的应用。围绕高光学透过率的金属导电薄膜的设计,文章以研究人员经常使用的介质-金属-介质(DMD)结构为例,讨论了其工作原理、分析设计步骤和高阶的衍生结构。最后,文章总结了金属透明导电薄膜在多种光电子器件中的应用,包括有机(钙钛矿)太阳能电池、半透明太阳能电池、有机发光二极管、光学滤波器、低辐射玻璃和透明电磁屏蔽涂层。

L. Jay Guo教授课题组和张诚教授课题组长期从事金属透明导电薄膜的研究。他们于2013年提出了利用掺杂工艺制备高性能且稳定的超薄银膜的创新技术,多项研究成果发表在Wiley旗下Advanced系列期刊。该技术目前正被科技创新公司Zenithnano推向产业化。