超薄金薄膜的制备及其光电性能研究

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随着柔性光电器件的迅速发展,高柔性、高稳定性且成本低廉的柔性透明电极的开发研究迫在眉睫。传统的透明导电材料(ITO)由于价格昂贵、机械韧性差等缺点无法满足相关产业的需求。超薄金属薄膜兼具优异的光电学性能且机械柔性高成为一种潜在的替代品,本文重点讨论超薄Au透明薄膜的制备和应用研究。金属薄膜的性能受制于厚度和形貌,在介质衬底上Au薄膜通常呈三维岛状生长模式,存在一个临界厚度(10-15 nm)。当薄膜的厚度小于临界厚度,薄膜的表面呈不连续岛状结构,电学性能不佳;随着厚度的增加,金属岛相互连接形成连续的薄膜,但往往会伴随着显著增强的光吸收、反射及散射。因此若要获得理想的透明导电金属薄膜,主要就在于减小金属薄膜的临界厚度。本文通过利用范德华外延技术结合氧化物润湿层的方法降低Au薄膜的临界厚度,获得了性能优异的超薄金属薄膜;采用氧化物/金属/氧化物(O/M/O)三明治结构进一步提高了Au薄膜透过率和稳定性。本文以柔性透明耐高温云母(Mica)为衬底,用脉冲激光沉积技术制备了范德华外延的Au薄膜、Au/AZO薄膜、AZO(TiO2)/Au/AZO(TiO2)薄膜,用XRD、AFM、SEM、RHEED、TEM等表征薄膜的结构;结合光学模拟确定了Au、AZO、TiO2薄膜厚度对三明治结构薄膜光电学性能的影响;将Au薄膜作为透明电极应用于OLED器件,将AZO/Au/AZO薄膜制成了柔性透明薄膜加热器。具体研究结果如下:(1)AZO薄膜在Mica衬底上为范德瓦尔斯外延生长。以AZO薄膜作为润湿层,促进Au形成外延连续薄膜,获得了性能优异的超薄金属薄膜。(2)Au/AZO/Mica薄膜方阻随Au及AZO薄膜厚度增加而降低,AZO薄膜的存在降低了纯Au薄膜的临界厚度,提高了Au薄膜的光学及电学性能。Au(8 nm)/AZO薄膜方阻低至8Ω/sq,可见光平均透过率仍然高达80.1%,该结构薄膜机械强度高,性能稳定,在1000次弯曲后光电学性能保持不变。以Au/AZO薄膜作为底电极的柔性有机发光二极管的最大光照能量达32540 cd/cm2。上述结果表明超薄Au薄膜有望应用于新一代柔性光电器件。(3)AZO/Au/AZO/Mica三明治结构薄膜具有优异的光电学性能:最大平均透过率为88.1%,方阻低于5Ω/sq,薄膜品质因子可达55.1(AZO总厚度为126 nm,Au为10nm)。基于AZO/Au/AZO/Mica结构的柔性透明薄膜加热器热响应时间为5 s;在5.6 W时,薄膜可加热至150°C;当弯曲直径为2 mm时,其加热温度和均匀性并无发生变化,表明了它在薄膜加热器上的应用前景。(4)整体而言,AZO/Au/TiO2/Mica较TiO2/Au/AZO/Mica薄膜的透光性更佳,AZO(80 nm)/Au/TiO2(20 nm)/Mica薄膜在可见光内平均透过率最高(87.41%)。(5)本文所制备的Au/AZO/Mica及AZO(TiO2)/Au/AZO(TiO2)/Mica具有优异的光电学性能,有望作为柔性电极应用于有机太阳能电池和其它光电子器件,推进柔性光电器件领域的发展。
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