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          有機玻璃表面透明導電薄膜制備方法研究

          1  材料特性 

          聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)俗稱有機玻璃,具有高透明度,有機玻璃軟化溫度較低,透光率達92%,且有較佳的耐候性,耐酸,耐堿,并兼具良好的表面硬度與光澤。加工可塑性大,可制成各種所需要的形狀與產品。

          無機物類透明導電膜有:金屬膜、氧化物以及其他化合物膜;其中以氧化物膜占主導作用。透明導電薄膜的質量主要體現在其可見光區的透射率、電阻率、結構和表面形貌。透明導電薄膜的電學和光學性能強烈依賴于薄膜的顯微結構、各種成分的化學計量比、雜質的種類和濃度[1]。電導特性影響著膜層的電磁屏蔽性能,對于金屬膜層的電磁屏蔽作用而言,其對電磁波的衰減主要有兩種方式:一是通過不同方向上的電磁反射降低電磁回波信號,二是吸收電磁波信號接地將其消除屏蔽掉。而直接影響電磁屏蔽特性優略的因素有兩點:金屬膜層的連續性和低電阻率[4]。薄膜的制備方法與技術對透明導電薄膜的性能有著J為重要的影響。制備透明導電薄膜的方法很多,幾乎所有制備薄膜的方法都可以采用。

          2  薄膜設計 

              對于增透膜的設計,當光線穿過一組由不同折射系數(n)組成的膜系時,兩組反射光的光程差△為入射光波的半波長的奇數倍時就發生干涉相消。如1圖所示,在B點發生干涉相消而抵消掉了反射光,從而達到了增透的目的。單層增透膜的條件[5]是:                 

          在所有金屬材料里面,金的電阻率是較低的,是導電特性的較佳材料。金膜的設計厚度為5 nm~20 nm,增加厚度將降低光學透過率。金膜電導特性方面,主要保證膜層的連續性,需要通過工藝手段控制以實現。金與有機玻璃在結構和材料特性方面差別較大,決定了二者之間結合力偏差,為此需要在中間增加過渡層,設計中增加一層SiO2,厚度為十幾個納米。金膜外層與外界大氣環境接觸,再鍍制一層晶態Al2O3膜來實現保護作用。

          除了電學特性以外,光學指標也是膜層的一個重要指標,需要達到光學透過率指標。對于金屬膜層而言,如果需要電導特性好,則要增加膜層厚度,但會降低光學透射率;如果需要增加光學透光率,則要降低膜層厚度,隨之電阻率就會增加,電磁特性與光學特性是一對矛盾。所采取的措施是在金膜下層增加透明導電半導體膜層,在保證光學指標的前提下,進一步降低電阻率。膜層結構為。

          3  薄膜鍍制 

          3.1 實驗材料

          薄膜沉積材料:高純鋁靶直徑Ф49mm,厚度3mm;單晶硅靶直徑為Ф49mm,厚度為3mm;高純ITO陶瓷靶材,直徑Ф49mm,厚度3mm,In2O3/SnO2為9:1(wt);單晶硅靶直徑為Ф49mm,厚度為3mm;高純氬氣;高純氧氣。

          薄膜襯底材料:PMMA有機玻璃。

          其它實驗材料:丙***、無水乙醇、去離子水。

          3.2 實驗過程

          按照先前設計的膜系結構PMMA/SiO2/ITO/Au/Al2O3/Air,采用磁控濺射鍍膜系統在PMMA有機玻璃上進行薄膜的制備。沉積過程和步驟為:準備清洗工作→真空準備→基片清洗→預濺射沉積→薄膜鍍制→鍍膜完成。本底真空度優于6.0×10-4Pa,沉積氣壓0.5Pa,濺射功率100W,加熱溫度常溫。為了研究Au薄膜在ITO表面的成膜情況,文中制備了四組樣品來進行相應的研究,濺射Au的時間分別為0S,20S,60S,120S,通過濺射膜層電學特性檢測分析確定金屬層厚度。

          4  性能參數測試與試驗考核 

          對四件有機玻璃實驗樣件的電學特性和光學特性進行了主要分析和討論。方塊電阻是衡量薄膜導電能力的一個主要參數,它不***可以反映擴散層雜質總量的多少以及導電層的質量,也可以反映半導體外延層晶格的完整性情況。對于導電薄膜,通常采用測量薄膜的方塊電阻來對薄膜的連續性進行相應的研究,文中采用Vander Pauw四電J法[6]測量所制備的復合薄膜的方塊電阻,該方法對樣片的要求為片狀且滿足以下要求:(1)觸點須位于圓周上;(2)觸點要充分??;(3)樣品的厚度要均勻;(4)樣品的表面均勻并且沒有單的孔洞。樣片的方塊電阻如圖2所示。

          從圖中可以看出,膜層本身的方塊電阻可以達到近28Ω/□,而經過20s沉積Au之后,所形成的復合薄膜的方塊電阻只有微小的下降,判斷此時沉積在ITO表面的金顆還只是以島狀出現在薄膜的表面,還沒有形成連續的薄膜,此時金顆之間還只是通過隧道電流的方式進行導電。在經過60s的沉積之后,方塊電阻有了比較明顯的下降,經過120s的沉積之后下降的更加明顯,可以判斷出在經過60s的沉積之后,薄膜就已經連續成膜,根據需要,將沉積的較佳時間定為60s,此時所沉積的薄膜厚度約為5nm。對沉積復合薄膜樣片進行了光學性能的測試,其可見光波段的透過率如圖3所示。從圖中數據看出復合薄膜在可見光波段的平均透過率達到70%,獲得較好的光學性能。


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