微纳结构金属网格柔性透明导电薄膜的制备及性能研究

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柔性透明导电薄膜作为一种兼具了高透光度、高导电性的光电器件,正向着柔性屏幕显示、智能可穿戴设备、电子皮肤等方向发展。而最先商用的柔性电子材料ITO,却存在不易弯折、成本太高、原料稀缺等缺陷,所以国内外都在研究其替代材料,而最具发展潜力的便是金属网格柔性透明导电薄膜,但是金属网格因其不同的图案、排列设计等会导致光电性能产生较大的差异。本文聚焦金属网格几何参数对透光性和导电性的影响,根据几何结构的紧凑性原理,建立二维不规则随机网络的模型,结合COMSOL仿真模型,总结出了不同几何形状及其结构参数对透光度和方阻的影响规律,并最终通过磁控溅射和激光直写技术制备出高导高透的柔性透明导电薄膜。本文的核心内容如下:(1)磁控溅射技术工艺研究及制备透明导电薄膜。本文利用磁控溅射技术在PET衬底上进行溅射金属Al,并对不同溅射时间、不同溅射功率的薄膜进行表面形貌分析和光电性能分析,并总结出磁控溅射工艺下不同薄膜的生长模式机理,并对不同薄膜进行柔性弯折实验,基于薄膜的生长规律以及综合性能,从而得出最佳的磁控溅射时间和功率的工艺规律。本文仅利用磁控溅射技术制备出在可见光区550 nm波长时透光度为45%、方阻为14Ω/sq的薄膜,并且综合工艺规律选择以溅射时间10 min、溅射功率为20%的工艺下制备的薄膜作为后续利用激光直写技术刻蚀金属网格的基材。(2)金属网格图案几何参数的设计及透明导电薄膜的制备。本文将透光性和导电性独立开来进行研究,首先是根据金属网格中的网孔面积大小决定薄膜的透光度的原理,分析了三角形、正方形、正六边形对应的透光度,初步确定了正方形和正六边形都很合适,正六边形更加合适;其次将二维不规则随机网络的方阻利用多边形方阻的计算公式进行推导、简化,并对正三角形、正方形和正六边形的结构紧凑性参数进行计算和分析,确定出正六边形的数量越多、正三角形的数量越少,简化越精确的规律;最后结合透光度的计算公式,在保证相同透光度的基础上,通过COMSOL仿真对正方形和正六边形的方阻进行相同点电流下、不同方向的探究,最终得出正方形和正六边形的方阻都具有各向异性,且相同透光度下正六边形的方阻低于正方形。(3)结合磁控溅射镀膜技术和激光直写技术,本文制备了线宽为5μm,厚度为40 nm,边长分别为25μm、50μm和100μm的正六边形,其在可见光区550 nm波长时透光度分别为45.8%、58.4%和74.3%,方阻分别为7.83Ω/sq、11.2Ω/sq和14.7Ω/sq,其中品质因数Fo M最高的为边长为100μm的正六边形网格。对这三种网格进行柔性弯折实验分析,发现三种薄膜在经历2 500次弯折后方阻的变化率均为25%,这与正六边形独特的性质有关。
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