湘潭大学&西安电子科大《Acta Materialia》：大尺寸、高透明、超薄ITO膜！

随着数字电子信息技术的发展，柔性透明光电器件正成为信息时代电子产品的重要发展方向。包括可穿戴系统、可折叠屏幕、表皮设备、机器人、人造皮肤和仿生物医疗植入物在内的各种应用正变得越来越智能和广泛。透明导电氧化物（TCO）具有优异的导电性和透光性，已被用作光电设备的重要组件。铟锡氧化物（ITO）薄膜作为宽带隙 n 型半导体，因其具有高载流子浓度、高可见光透射率和良好的化学稳定性而成为最受欢迎的透明导电氧化物薄膜。它们被广泛应用于各个领域，包括发光二极管、液晶显示器、太阳能电池、电传感器等。超薄 ITO 薄膜具有优异的光学性能，但其电气性能较差，这极大地限制了其在光电设备领域的进一步应用。

来自湘潭大学和西安电子科技大学的学者在柔性云母衬底上制备了厚度为 10 纳米的大面积（4 英寸）ITO 薄膜。该薄膜具有低电阻率（1.32×10-4 Ω-cm）、高载流子浓度（2.2 × 1021cm-3）、高光学透明度（>98.1%）和原子级平坦表面。XPS 表征和第一性原理计算证明，ITO 和云母之间的范德华界面能在超 ITO 薄膜中诱导出更高浓度的氧空位，这是其显著增强导电性的原因。此外，ITO/云母柔性薄膜表现出卓越的耐久性和可回收性，在 2.5 毫米的高弯曲半径和数万次弯曲循环中仍能保持其光电特性。这项研究将为大面积超薄ITO 薄膜在柔性透明电子设备中的进一步开发和应用提供重要的实验基础。相关工作以题为“Large-scale, high-transparency, ultra-thin ITO membranes with robust conductivity and flexibility”的研究性文章发表在Acta Materialia 。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119334

图 1. 超薄柔性透明ITO/Mica 薄膜的制备和表征。(a) 通过机械剥离获得新鲜云母，(b) 通过射频磁控溅射制备 ITO 薄膜，(c) 大面积的ITO/云母样品，(d) ITO/Mica 的示意图，(e) AFM 表面形貌，(f) XRD 图，(g) 柔性 ITO/Mica 的横截面 TEM 图像和 (h) HRTEM 图像，(i) 在不同温度下退火后 ITO/Mica 的光学透射光谱。

图 2. (a) 在不同温度下退火的 ITO/Mica 薄膜的方形电阻光谱，(b) 在不同气氛下退火的 ITO/Mica 薄膜的方形电阻图，(c) 在相同退火条件下处理的 ITO/Mica 和 ITO/YSZ 的方形电阻比较、(d) 在相同退火条件下处理的 ITO/Mica 和 ITO/YSZ 的电阻率、载流子浓度和霍尔迁移率比较，(e) ITO/Mica 和 ITO/YSZ 的透射率和吸光度光谱，(f) ITO/Mica 和 ITO/YSZ 的带隙拟合图。

图 3. ITO/Mica 和ITO/YSZ 的 XPS 峰拟合光谱：(a) In 3d5/2，(b) Sn 3d5/2，(c) O 1s。

图 4.(a) ITO 和 (b) ITO/ZrO2 薄膜的侧视图，(c) ITO 和 ITO/ZrO2 薄膜的氧空位形成能，红色和绿色实线分别表示ITO 和 ITO/ZrO2 薄膜

图 5.以 +5 毫米为半径固定弯曲一定次数后，ITO/云母的平方电阻变化：(a) 1 个循环，(b) 10,000 个循环，(c) ITO/Mica 平方电阻随测试时间的变化，(d) ITO/Mica 在 600 ℃退火后随弯曲循环的平方电阻变化率，(e) 在半径为 +5 mm 处弯曲时测量 ITO/Mica 的透射率，(f) 在半径为 +5 mm 处弯曲1000 次后测量 ITO/Mica 的透射率。

图 6. 发光二极管 (LED) 上柔性透明 ITO/Mica 薄膜在不同弯曲状态下的亮度图像：(a) flat, (b) flex-out, (c) flex-in.

总之，本研究利用射频磁控溅射技术在云母衬底上成功制备了大规模超薄 ITO 薄膜。计算结果表明，与晶格匹配的化学键界面相比，范德华界面的 ITO 具有更低的氧空位形成能。由于高氧空位浓度的影响，ITO 薄膜表现出卓越的导电性，其方块电阻低至 149 Ω/sq，载流子浓度高达 2.2 × 1021 cm-3，电阻率低至1.32×10-4 Ω-cm。此外，在柔性弯曲条件下，ITO 薄膜的方阻和透光率几乎保持不变。本文报告的 ITO/云母薄膜为进一步集成设计柔性平板显示器、柔性太阳能电池和各种柔性光电探测器提供了理想的选择。（文:SSC）

本文来自微信公众号“材料科学与工程”。欢迎转载请联系，未经许可谢绝转载至其他网站。