用于光电子学和光子学应用的超薄的掺杂的贵金属膜制造技术

提供了导电的薄的光滑膜，其包含银(Ag)和导电金属如铝(Al)、钛(Ti)、镍(Ni)、铬(Cr)、金(Au)、镁(Mg)、钽(Ta)、锗(Ge)或其组合。在其他替代变化方案中，提供了导电的薄的光滑膜，其包含金(Au)或铜(Cu)和导电金属如铝(Al)、钛(Ti)、镍(Ni)、铬(Cr)、金(Au)、镁(Mg)、钽(Ta)、锗(Ge)或其组合。这种材料具有优良的导电性，可以是超薄的、柔性的、透明的，并且具有低光损耗。还提供了并入有这种膜的组合件和制造该膜的方法。这些组合件可以用于具有高功率转化效率的光伏和发光器件或者表现出高透射率和均匀响应的光学超材料，等等。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于光电子学和光子学应用的超薄的掺杂的贵金属膜相关申请的交叉引用本申请要求于2014年5月23日提交的美国临时申请第62/002,569号和于2014年5月30日提交的美国临时申请第62/005,169号的权益。各上述申请的全部公开内容通过引用并入本文。政府权利本专利技术是在由国家科学基金会(NationalScienceFoundation)授予的DMR1120923下的政府支持下进行的。政府对本专利技术具有一定的权利。
本公开内容涉及用于多种光电子学和光子学应用的导电薄膜，其包含掺杂有不同导电金属(如铝(Al))的贵金属(如银(Ag))。
技术介绍
本部分提供与本公开内容相关的背景信息，其不必要为现有技术。薄金属膜如薄贵金属膜在光电子学和纳米光子学中具有许多应用。其中，银(Ag)由于其优异的导电性(在所有金属中是最高的)和在电磁辐射的可见光波段中的低光损耗而被广泛使用。在可见和近红外(NIR)波长中的低光损耗部分地归因于小的自由电子阻尼率和在紫外(UV)波长范围内的光学带间跃迁的位置，使Ag成为最有利的等离子体材料之一。因此，Ag的薄膜具有许多重要的应用，例如，在光学超材料(metamaterial)中和作为透明导体等。银层的表面形态和厚度对于各种应用是重要的。然而，获得薄且光滑的Ag膜已经非常困难。相反，纯Ag的薄膜表现出显著的表面粗糙度并且可能是不连续的。这是由于Ag在膜生长期间由于银金属的热力学而形成三维(3D)岛的固有倾向。Ag遵循Volmer-Weber生长模式，其中沉积的Ag原子首先形成孤立的岛。随着沉积继续，这些岛生长并最终连接以形成半连续/导电膜。形成导电膜的临界厚度被定义为逾渗阈值(percolationthreshold)，其通常为10nm至20nm。然而，这种Ag膜的粗糙度大，15nm厚Ag膜的均方根(RMS)表面粗糙度值(从峰到谷)为约6nm(换句话说，RMS表面粗糙度为膜的总厚度的约40％)。粗糙的表面形态将损害膜的导电性并导致额外的光损耗，甚至当岛不能形成逾渗通路时产生非导电膜。尽管增加膜厚度可以减轻膜连续性的问题，但是厚膜具有增加的损耗，并且超材料的均匀性不可避免地受损。为了解决薄Ag膜的粗糙度问题，广泛采用的方法是在沉积银作为膜之前，使用沉积在基底上的通常约为1nm至2nm厚的不同的锗(Ge)润湿层。Ge的存在使得薄(10nm至20nm)Ag膜的表面粗糙度降低超过一个量级。然而，Ge由于其小带隙而在可见光范围内是高度损耗的，因此该双层膜的透射率显著降低。或者，也已使用机械压制方法在相对厚(例如，至少100nm厚)的银膜上形成光滑表面，但此技术需要高工作压力、超光滑模具，并且具有对Ag层下面的结构造成损坏的可能性。此外，银层的厚度可以增加散射，降低透射率，并增加损耗。期望开发用于制造导电薄膜的方法，所述方法提供Ag的益处，同时避免许多已经阻止在多种光学和光子学应用和器件中广泛使用的各种缺点。
技术实现思路
本部分提供了本公开内容的一般概述，并且不是其全部范围或其所有特征的全面公开。在多个方面，本专利技术提供了包含银(Ag)的新的导电的光滑薄膜。在一些变化方案中，导电膜可包含大于或等于薄膜总组成的约80原子％的银(Ag)，以及以大于薄膜总组成的0原子％至小于或等于薄膜总组成的约20原子％存在的不同导电金属。在某些变化方案中，不同导电金属可包括：铝(Al)、钛(Ti)、镍(Ni)、铬(Cr)、金(Au)、镁(Mg)、钽(Ta)、锗(Ge)或其组合。这样的膜的厚度小于或等于约50nm并且具有光滑表面。在替代变化方案中，本公开内容还构想了包含高度导电元素例如金(Au)或铜(Cu)的新的导电的光滑薄膜。在某些变化方案中，导电膜可以包含大于或等于薄膜总组成的约80原子％的这些高度导电元素之一，以及以大于薄膜总组成的0原子％至小于或等于薄膜总组成的约20原子％存在的不同导电金属。在某些变化方案中，不同导电金属可以包括：铝(Al)、钛(Ti)、镍(Ni)、铬(Cr)、金(Au)、镁(Mg)、钽(Ta)、锗(Ge)或其组合。这样的膜的厚度小于或等于约50nm并且具有光滑表面。在另一些方面，本公开内容提供了组合件，其包括基底和导电薄膜。在某些变化方案中，导电膜可包含大于或等于薄膜总组成的约80原子％的银(Ag)，以及以大于薄膜总组成的0原子％至小于或等于薄膜总组成的约20原子％存在的不同导电金属。在另一些替代变化方案中，导电膜可包含大于或等于薄膜总组成的约80原子％的金(Au)或铜(Cu)，以及以大于薄膜总组成的0原子％至小于或等于薄膜总组成的约20原子％存在的不同导电金属。不同导电金属可以包括：铝(Al)、钛(Ti)、镍(Ni)、铬(Cr)、金(Au)、镁(Mg)、钽(Ta)、锗(Ge)或其组合。导电薄膜直接设置在基底上，其间没有任何润湿层或缓冲层。在又一些方面，本公开内容构想了制造导电薄膜的方法，该方法包括将银(Ag)和不同导电金属共沉积到基底上以形成连续薄膜。在某些变化方案中，不同导电金属可包括：铝(Al)、钛(Ti)、镍(Ni)、铬(Cr)、金(Au)、镁(Mg)、钽(Ta)、锗(Ge)或其组合。连续薄膜包含大于或等于薄膜总组成的约80原子％的银(Ag)以及大于薄膜总组成的0原子％至小于或等于薄膜总组成的约20原子％。任选地，薄膜的厚度小于或等于约50nm，薄层电阻小于或等于约100欧姆/平方，并且具有光滑表面。在替代变化方案中，这样的制造导电薄膜的方法可包括以这样的方法将金(Au)或铜(Cu)(代替银(Ag))与不同导电金属共沉积到基底上以形成连续薄膜。根据本文提供的描述，其他的应用领域将变得明显。本
技术实现思路
中的描述和具体实施例旨在举例说明的目的，而不旨在限制本公开内容的范围。附图说明本文描述的附图仅用于所选实施方案的举例说明目的，而不是所有可能的实施方式，并且不旨在限制本公开内容的范围。图1(a)至图1(c)。图1(a)是用于根据本公开内容某些实施方案的Ag和Al膜的共沉积工艺的设置。图1(b)是具有常规ITO电极的有机光伏(OPV)器件的示意图。图1(c)是具有根据本公开内容某些方面的超薄Al掺杂的Ag膜电极的有机光伏(OPV)器件的示意图。图2(a)至图2(d)。图2(a)是9nm纯Ag膜的SEM图像，图2(b)是根据本专利技术某些实施方案的9nmAl掺杂的Ag膜的SEM图像，图2(c)是100nm纯Ag膜的SEM图像，并且图2d)是根据本公开内容某些实施方案的100nmAl掺杂的Ag膜的SEM图像。每个图中的插图是其对应的轻敲模式AFM图像。所有膜沉积在熔融石英基底上。图2(a)和2(b)中的AFM图像的比例尺是80nm，图2(c)和2(d)中的比例尺是30nm。SEM图像的比例尺为500nm。9nm纯Ag膜的RMS粗糙度为10.8nm，是9nmAl掺杂的Ag膜(0.86nm)的12倍。100nm纯Ag膜的RMS粗糙度为3.38nm，并且Rmax为28.3nm，是100nmAl掺杂的Ag膜(1.10nm和9.95nm)的RMS粗糙度的3倍。图3(a)至图3(b)。图3(a)是9nm纯Ag膜的透射光谱。图3(b)是不同厚度(6nm、7nm、9nm和11nm)的根据本公开内容某些本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种导电的薄膜，包含大于或等于所述薄膜总组成的约80原子％的银(Ag)，以及以大于所述薄膜总组成的0原子％且小于或等于所述薄膜总组成的约20原子％存在的选自以下的导电金属：铝(Al)、钛(Ti)、镍(Ni)、铬(Cr)、金(Au)、镁(Mg)、钽(Ta)、锗(Ge)及其组合，其中所述薄膜的厚度小于或等于约50nm并且具有光滑表面。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.23 US 62/002,569;2014.05.30 US 62/005,1691.一种导电的薄膜，包含大于或等于所述薄膜总组成的约80原子％的银(Ag)，以及以大于所述薄膜总组成的0原子％且小于或等于所述薄膜总组成的约20原子％存在的选自以下的导电金属：铝(Al)、钛(Ti)、镍(Ni)、铬(Cr)、金(Au)、镁(Mg)、钽(Ta)、锗(Ge)及其组合，其中所述薄膜的厚度小于或等于约50nm并且具有光滑表面。2.根据权利要求1所述的导电的薄膜，其中所述导电的薄膜的薄层电阻小于或等于约75欧姆/平方。3.根据权利要求1所述的导电的薄膜，其中所述导电金属为铝(Al)。4.根据权利要求1所述的导电的薄膜，其中所述导电金属以大于或等于所述薄膜总组成的约1原子％至小于或等于所述薄膜总组成的约25原子％存在。5.根据权利要求1所述的导电的薄膜，其中所述导电金属以大于或等于所述薄膜总组成的约2原子％至小于或等于所述薄膜总组成的约10原子％存在。6.根据权利要求1所述的导电的薄膜，其中所述光滑表面的表面粗糙度小于或等于所述厚度的约25％。7.根据权利要求1所述的导电的薄膜，其中所述光滑表面的表面粗糙度小于或等于所述厚度的约5％。8.根据权利要求1所述的导电的薄膜，其中所述导电的薄膜对于预定波长的光的透射率为至少40％。9.根据权利要求1所述的导电的薄膜，其中所述厚度大于或等于约4nm至小于或等于约20nm。10.一种组合件，包括：基底；以及直接设置在所述基底上的导电的薄膜，所述导电的薄膜包含大于或等于所述薄膜总组成的约80原子％的银(Ag)，以及以大于所述薄膜总组成的0原子％至小于或等于所述薄膜总组成的约20原子％存在的选自以下的导电金属：铝(Al)、钛(Ti)、镍(Ni)、铬(Cr)、金(Au)、镁(Mg)、钽(Ta)、锗(Ge)。11.根据权利要求10所述的组合件，其中所述导电的薄膜限定了第一侧和第二相反侧，其中所述基底与所述第一侧相邻，并且在所述第二相反侧上设置有第二材料。12.根据权利要求11所述的组合件，其中所述第二材料包括电子电荷或离子传输或阻挡层，或者二维(2-D)半导体。13.根据权利要求12所述的组合件，其中所述第二材料包括电子电荷或离子传输或阻挡层，并且所述组合件还包含设置成与所述电子电荷或离子传输或阻挡层相邻的光伏活性材料。14.根据权利要求10所述的组合件，其中所述组合件形成光伏电池的一部分，并且所述导电的薄膜为透明导电电极(TCE)。15.根据权利要求10所述的组合件，其中所述组合件形成发光二极管的一部分，并且所述导电的薄膜为透明导电电极(TCE)。16.根据权利要求10所述的组合件，其中所述导电的薄膜限定了第一侧和第二相反侧，其中所述基底与所述第一侧相邻，并且在所述第二相反侧上设置有介电材料。17.根据权利要求16所述的组合件，其中所述组合件形成具有预定的光学和电学特性的超材料。18.根据权利要求10所述的组合件，其中所...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭凌杰，张诚，
申请(专利权)人：密执安州立大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国,US