一种快速退火制备透明导电膜的方法技术

本发明专利技术涉及一种快速退火制备透明导电薄膜的方法，其中的退火步骤只需将衬底高温处理1小时左右即可待其冷却至室温，相比于试验中早期使用的退火步骤的高温处理时长为两小时左右及其繁琐的过程来说，简化了退火流程，缩短了退火过程的所需时间，并且经过实验可得出本发明专利技术的退火处理步骤能提升薄膜的光学性能和电学性能，主衍射峰强度更大，还改善了结晶质量。

A method of rapid annealing for the preparation of transparent conductive film

The invention relates to a method for rapid annealing preparation of transparent conductive film, the annealing step only the substrate temperature treatment about 1 hours to wait for its cooling to room temperature, high temperature annealing step compared to the early use of the test in the process is about two hours long and tedious, simplifies the annealing process and shorten the time required for the process of annealing, optical properties and electrical properties of annealing steps and after the experiment can be obtained by the invention can enhance the strength of the main diffraction peak of film, even more, also can improve the crystal quality.

【技术实现步骤摘要】
一种快速退火制备透明导电膜的方法
本专利技术涉及薄膜材料制备领域，具体涉及一种快速退火制备透明导电膜的方法。
技术介绍
现如今TCO薄膜材料领域，依然是磁控溅射制备的ITO薄膜占主导领域，通过Sol-gel制备AZO薄膜的方法虽然在大规模生产方面依然不成熟，然而这种方法一方面工艺简单、可大面积成膜，制备过程中凝胶大分子的密度、比表面积和化学成分都具有很大的调控空间，且前驱体具有高度均匀性，这为制备均匀薄膜及复杂结构材料提供了基础，另一方面，Zn、Al、Cu源等原材料成本低廉，原料、中间产物及产品均无毒且低污染，ZnO本身相较于其他半导体氧化物还有很多独特的突出特性，结合材料和制备方法两方面的优点，通过Sol-gel制备AZO薄膜的方法在薄膜的性能和大规模生产方面都可能获得很大突破。为了在制备更高性能的薄膜，人们多采用高温退火处理来改变薄膜的结构特性、电学特性、化学配比和点缺陷浓度，改善其发光效果，而现有的高温退火时间普遍过长，需要在高温下持续两个小时左右，效率较低，不便于进行生产和研究。
技术实现思路
为了克服现有技术的缺陷，本专利技术提供一种能够缩短退火时长，实现快速退火，提高制备透明导电薄膜效率的方法。针对上述技术问题，本专利技术是这样加以解决的：一种快速退火制备透明导电薄膜的方法，包括如下步骤：S1、制备溶胶：选定锌源、铝源、溶剂和溶胶稳定剂，并将它们按一定比例混合后形成混合溶液，保证锌离子摩尔浓度为0.5-0.9mol/L，铝离子和锌离子的摩尔比为0%~2.4%，接着将混合溶液放置在60-70℃的恒温环境下进行搅拌90-110min，取出冷却后陈化45-51h，得到溶胶；S2、匀胶及前期热处理：使用旋涂法在衬底上涂覆溶胶，接着在550-650℃下对衬底进行7-13min的热处理，然后取出衬底，待其在室温下冷却至25度左右；S3、退火：在温度为600-660℃，真空度为-0.1至-0.094MPa的环境下对衬底退火处理55-65min，然后让衬底冷却到室温；在上述过程中对衬底通入惰性气体。相比于现有技术，本专利技术中的退火步骤只需将衬底高温处理1小时左右即可待其冷却至室温，相比于早期试验中的退火步骤的高温处理时长为两小时左右和中间繁琐的过程来说，简化了退火流程，缩短了退火过程的所需时间，并且经过实验可得出经过这本专利技术的退火处理能使得薄膜的光学性能和电学性能提升，主衍射峰强度更大，改善了结晶质量。进一步地，还将铜源添加到所述步骤S1中的混合溶液中，保证铝离子加上铜离子的摩尔量与锌离子的摩尔量相比为0.4-0.8%，铜离子与铝离子之间的摩尔比为1/5~5。经过试验，在铜离子和铝离子之间的摩尔比为1/5~5之间时，能够在保证原方案光电性能的前提下，提高薄膜的主峰衍射强度，也即改善了结晶质量，而且，当掺杂的Cu越多，晶粒尺寸增加，表面平整度也有所改善。进一步地，所述溶胶稳定剂为单乙醇胺，其与锌离子的摩尔比为1:1。进一步地，所述步骤S1的混合溶液在进行陈化时与外界隔离。进一步地，所述步骤S1的混合溶液在进行搅拌时与外界隔离。进一步地，在使用旋涂法时将转速设定在2500-3500rpm，旋转时间为25-35s。进一步地，所述步骤S2重复进行6次以上才进入步骤S3。多次在衬底上涂覆溶胶能有效增加衬底上制备的薄膜的厚度。进一步地，所述步骤S3中通入惰性气体的流速为3-5L/min。进一步地，在所述步骤S3中将衬底放入管式炉进行退火，首先将管式炉中温度升至600-660℃，升温过程中安装管式炉法兰并抽真空，同时往衬底通惰性气体，使管式炉内真空度为-0.1至-0.094MPa，经过55-65min后，让衬底自然冷却到室温，通入惰性气体的最大时长覆盖整个S3过程，最后得到透明导电薄膜。进一步地，所述步骤S3中，在衬底冷却的过程中，让衬底在特定的温度下保持一段时间。进一步地，所述步骤S2中先取一定量的胶液放置在衬底中央，再采用匀胶机进行旋涂法匀胶。相比于现有技术，本专利技术的有益效果为：1、简化了退火流程，缩短了退火时间，同时还能够提升电学性能，改善结晶质量；2、通过掺杂铜离子，改善了薄膜的结晶质量和表面的平整度，同时基本保留了薄膜本身具有的光电性能。附图说明图1是实施例1退火步骤改进前薄膜的透过率图谱。图2是实施例1退火步骤改进前薄膜方块电阻随Al掺杂浓度变化图。图3是实施例1退火步骤改进前后部分薄膜的XRD图谱。图4是实施例1退火步骤改进后薄膜的透过率图。图5是实施例1退火步骤改进前薄膜方块电阻随Al掺杂浓度变化图。图6（a）至图6（d）是实施例1退火步骤改进后铝离子与锌离子的摩尔比分别为0.6%(a)、1.2%(b)、1.8%(c)、2.4%(d)时AZO薄膜的AFM扫描结果对比图。图7是部分实施例1退火步骤改进后按不同比例掺Al薄膜的RMS变化曲线。图8是实施例2铜离子和铝离子的掺比为0、1：5时薄膜透过率图谱。图9是实施例2薄膜的方块电阻随铜离子含量变化的曲线。图10是实施例1退火步骤改进后Al3+：Zn2+=0.6%薄膜和实施例3中铜离子和铝离子的掺比为1/5、1、5的薄膜的XRD图谱。图11是实施例1退火步骤改进后Al3+：Zn2+=0.6%的薄膜和实施例3中铜离子和铝离子的掺比为1/5、1、5时薄膜的半峰宽随Cu：Al比例的变化趋势。图12（a）至图12（c）是实施例2中铜离子和铝离子掺比为1/5(a)、1(b)、5(c)时薄膜的AFM表面形貌3D对比图。图13是实施例2中薄膜的均方根粗糙度(RMS)随铜离子掺杂量变化曲线。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术进行详细地说明。实施例1：一种快速退火制备透明导电薄膜的方法，包括如下步骤：S1、制备溶胶：选用Zn(CH3COO)2•2H2O为锌源，Al(NO3)3•9H2O为铝源，溶解后Zn2+总量为0.7mol/l，称量好后倒入锥形瓶，选取单乙醇胺（MEA）作为溶胶稳定剂（可选的，可用二乙醇胺），按Zn2+:MEA=1:1（mol比）的比例称量MEA并加入锥形瓶，最后称量适量的溶剂乙二醇甲醚（溶剂可选用乙醇或乙二醇甲醚，主要为乙二醇甲醚）倒入锥形瓶中形成混合溶液，加入洁净转子，并用2层保鲜膜加铝箔纸盖住瓶口，再用皮筋将瓶口上的遮盖物套紧；在磁力搅拌机上架设水域（或油域），并使水域温度保持65℃，加热到此温度后再将锥形瓶放入水域中用转子在恒温下对混合溶液搅拌100min，然后取出锥形瓶并将其冷却至常温25度左右，再倒入玻璃瓶陈化48h，得到溶胶，在搅拌和陈化时注意胶液与外界环境隔绝，以避免与环境水分接触而生成白色浑浊质变；S2、匀胶及前期热处理：擦除玻璃衬底（可选的衬底为石英、硅片、蓝宝石薄片等）表面的可见污渍后，按顺序依次用丙酮、异丙醇、去离子水对玻璃衬底进行超波清洗15min，然后将其取出烘干、除水、冷却后，吸附在匀胶机吸头上，转速设定为3000rpm，旋转时间30s；用移液枪吸取陈化好的溶胶滴至玻璃衬底中间（也可用针管放置胶液，在其针头中设置过滤嘴，用针头滴溶胶到衬底上），待溶胶覆盖整个衬底表面之后，打开匀胶机匀胶，旋转结束之后关闭匀胶机的电动气泵，用镊子夹取衬底两侧，取下涂覆溶胶后的镀膜衬底并放在石英舟中，直接移入保持在600℃的管式炉中，对镀膜衬底进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种快速退火制备透明导电薄膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、制备溶胶：选定锌源、铝源、溶剂和溶胶稳定剂，并将它们按一定比例混合后形成混合溶液，保证锌离子摩尔浓度为0.5‑0.9mol/L，铝离子和锌离子的摩尔比为0%~2.4%，接着将混合溶液放置在60‑70℃的恒温环境下进行搅拌90‑110min，取出冷却后陈化45‑51h，得到溶胶；S2、匀胶及前期热处理：使用旋涂法在衬底上涂覆溶胶，接着在550‑650℃下对衬底进行7‑13min的热处理，然后取出衬底，待其在室温下冷却至25度左右；S3、退火：在温度为600‑660℃，真空度为‑0.1至‑0.094MPa的环境下对衬底退火处理55‑65min，然后让衬底冷却到室温；在上述过程中对衬底通入惰性气体。

【技术特征摘要】
1.一种快速退火制备透明导电薄膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、制备溶胶：选定锌源、铝源、溶剂和溶胶稳定剂，并将它们按一定比例混合后形成混合溶液，保证锌离子摩尔浓度为0.5-0.9mol/L，铝离子和锌离子的摩尔比为0%~2.4%，接着将混合溶液放置在60-70℃的恒温环境下进行搅拌90-110min，取出冷却后陈化45-51h，得到溶胶；S2、匀胶及前期热处理：使用旋涂法在衬底上涂覆溶胶，接着在550-650℃下对衬底进行7-13min的热处理，然后取出衬底，待其在室温下冷却至25度左右；S3、退火：在温度为600-660℃，真空度为-0.1至-0.094MPa的环境下对衬底退火处理55-65min，然后让衬底冷却到室温；在上述过程中对衬底通入惰性气体。2.根据权利要求1所述的一种快速退火制备透明导电薄膜的方法，其特征在于，还将铜源添加到所述步骤S1中的混合溶液中，保证铝离子加上铜离子的摩尔量与锌离子的摩尔量相比为0.4-0.8%，铜离子与铝离子之间的摩尔比为1/5~5。3.根据权利要求1所述的一种快速退火制备透明导电薄膜的方法，其特征在于，所述溶胶稳定剂为单乙醇胺，其与锌离子的摩尔比为1:1。4.根据权利要求1所述的一种快速退火制备透明导电薄膜的方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：高崇光，谷怀民，
申请(专利权)人：高崇光，
类型：发明
国别省市：广东,44