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一种外加 磁场辅助激光制备透明导电 薄膜的方法

阅读：851发布：2023-01-25

专利汇可以提供一种外加磁场辅助激光制备透明导电薄膜的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种外加磁场辅助激光制备透明导电薄膜的方法，首先以TCO玻璃为基板，采用高真空直流磁控溅射仪溅射金属M层，获得M/TCO透明导电薄膜；然后，将M/TCO透明导电薄膜放置在磁场中，利用超短脉冲激光器，对M/TCO透明导电薄膜表面进行激光辐照处理。本发明激光辐照的热效应对M/TCO透明导电薄膜表面产生了退火作用，使得所述薄膜中晶粒尺寸增大，进而提高薄膜的光电性能。在激光辐照处理过程中引入磁场，磁场对金属M层的吸引作用，使得所述薄膜表面的晶体在重结晶的同时变得更加致密、均匀，可以有效的提高透明导电薄膜的透光率和导电性。，下面是一种外加磁场辅助激光制备透明导电薄膜的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种外加磁场辅助激光制备透明导电薄膜的方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)制备M/TCO透明导电薄膜：以TCO玻璃为基板，经超声清洗、烘干后，采用高真空直流磁控溅射仪溅射金属M层，其中溅射电流为100～150mA，溅射时间为10～40秒，溅射气体为氩气，工作压强为0.035MPa，获得M/TCO透明导电薄膜；
(2)外加磁场辅助激光诱导M/TCO透明导电薄膜：将M/TCO透明导电薄膜放置在磁场中，利用超短脉冲激光器，以脉冲宽度小于20ns、波长在300～1000nm、激光能量密度为
2
0.50～1.60J/cm、扫描速度为5～30mm/s，对M/TCO透明导电薄膜表面进行激光辐照处理，得到透明导电薄膜。
2.根据权利要求1所述的制备透明导电薄膜的方法，其特征在于，步骤(1)中所述金属M为Fe、Co、Ni及其合金。
3.根据权利要求1所述的制备透明导电薄膜的方法，其特征在于，步骤(1)中所述TCO为氧化锌(ZnO)、氧化铟(In2O3)、氧化锡(SnO2)、掺铝氧化锌(AZO)、掺锡氧化铟(ITO)、掺氟氧化锡(FTO)中的一种。
4.根据权利要求1所述的制备透明导电薄膜的方法，其特征在于，步骤(2)中所述磁场由位于样品台两侧或下部的永磁铁产生。
5.根据权利要求1所述的制备透明导电薄膜的方法，其特征在于，步骤(2)中所述激光辐照处理时，激光束作单向逐线扫描，相邻两条扫描线的重叠率控制在40～70％。
6.根据权利要求1所述的制备透明导电薄膜的方法，其特征在于，步骤(2)中所述M/TCO透明导电薄膜的表面位于所述激光器发出的激光束的焦点前、焦点或焦点后位置。

说明书全文

一种外加磁场辅助激光制备透明导电 薄膜的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及激光微纳加工技术及半导体材料领域，特指一种利用外加磁场辅助激光制备透明导电薄膜的方法。

背景技术

[0002] 由于透明导电氧化物(TCO)薄膜具有良好的导电性，并且在可见光范围内有较高的透光性以及在红外光范围内的高反射性等优点，作为窗口材料被广泛应用于薄膜太阳能电池和液晶显示器等光电器件领域。然而，随着光电器件领域的发展，这些传统的透明导电薄膜材料的光电性能已经远远不能满足。

[0003] 研究表明透明导电薄膜具有微纳表面结构，如光栅结构，金字塔结构和蜂窝结构等，由于这些结构具有突出的多元化结构可以减少光反射的表面，因此可以提高薄膜的透光率。目前用于制备薄膜表面微纳结构的方法主要有：电子束刻蚀法、等离子体刻蚀法、电化学沉积法和纳米压印技术等。但由于这些方法制备过程复杂、周期长、有的还需要使用有毒有害的化学试剂，往往带来制备效率低下、易污染坏境等一系列问题。此外，采用这些方法制备透明导电薄膜结构时可控性也很难保证，所得产物的形貌和尺寸不均匀。而激光表面微加工技术具有加工速度快、对环境无污染以及优良的尺寸可控性等优点，但对于透明导电薄膜光学和电学性能的提高还是很有限。因此，目前要一个操作简单，高效、低成本和可控性好的方法来提高激光加工效率是非常重要的。

发明内容

[0004] 本发明的目的是克服现有技术上的不足，提供一种利用外加磁场辅助激光制备透明导电薄膜的方法，无需特殊气体或液体作为环境介质，通过磁场辅助作用，来改善透明导电薄膜内部的晶体结构，提高透光率和导电性。

[0005] 本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

[0006] 一种外加磁场辅助激光制备透明导电薄膜的方法，其特征在于，包括下列步骤：

[0007] (1)制备M/TCO透明导电薄膜：以TCO玻璃为基板，经超声清洗、烘干后，采用高真空直流磁控溅射仪溅射金属M层，其中溅射电流为100～150mA，溅射时间为10～40秒，溅射气体为氩气，工作压强为0.035MPa，获得M/TCO透明导电薄膜；

[0008] (2)外加磁场辅助激光诱导M/TCO透明导电薄膜：将M/TCO透明导电薄膜放置在磁场中，利用超短脉冲激光器，以脉冲宽度小于20ns、波长在300～1000nm、激光能量密度2
为0.50～1.60J/cm、扫描速度为5～30mm/s，对M/TCO透明导电薄膜表面进行激光辐照处理，得到透明导电薄膜。

[0009] 进一步地，步骤(1)中所述金属M为Fe、Co、Ni及其合金。

[0010] 进一步地，步骤(1)中所述TCO为氧化锌(ZnO)、氧化铟(In2O3)、氧化锡(SnO2)、掺铝氧化锌(AZO)、掺锡氧化铟(ITO)、掺氟氧化锡(FTO)。

[0011] 进一步地，步骤(2)中所述磁场由位于样品台两侧或下部的永磁铁产生。

[0012] 进一步地，步骤(2)中所述激光辐照处理时，激光束作单向逐线扫描，相邻两条扫描线的重叠率控制在40～70％。

[0013] 进一步地，步骤(2)中所述M/TCO透明导电薄膜的表面分别位于所述激光器发出的激光束的焦点前、焦点或焦点后三个位置。

[0014] 本发明中，由于激光辐照的热效应对M/TCO透明导电薄膜表面产生了退火作用，使得所述薄膜中晶粒尺寸增大，进而提高薄膜的光电性能。同时磁场对金属M层的吸引作用，使得所述薄膜表面的晶体在重结晶的同时变得更加致密、均匀。而薄膜中晶体结晶度、致密性和均匀性的提高更加有助于薄膜透光率和导电性的提高。

[0015] 本发明所述的制备透明导电薄膜的方法具有以下优点：

[0016] 1)激光辐照处理过程中磁场的引入，可以有效的提高透明导电薄膜的透光率和导电性能。

[0017] 2)激光辐照处理过程操作简单，制备时间短、可控性好，只需室温条件，空气中就可以完成。而不需要引入其他特殊气体或液体介质等苛刻的环境条件。

[0018] 3)不需使用任何有毒和腐蚀性化学试剂，能有效的减少环境污染。附图说明

[0019] 图1为步骤(2)中永磁铁放置位置实施例1的示意图。

[0020] 图2为步骤(2)中永磁铁放置位置实施例2的示意图。

[0021] 图3为样品表面位于激光光束不同位置示意图。

[0022] 图4为步骤(2)中永磁铁放置在不同位置时所制备透明导电薄膜的透光率谱图。

[0023] 图5为未处理Ni/FTO的SEM图。

[0024] 图6为无磁场激光辐照处理Ni/FTO样品的SEM图。

[0025] 图7为步骤(2)中实施例1样品的SEM图。

[0026] 图8为步骤(2)中实施例2样品的SEM图。

具体实施方式

[0027] 下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

[0028] 本发明中，所要制备的产品透明导电薄膜对透光率要求比较苛刻，因此本发明均采用具有良好透光率的TCO玻璃为基板，所述TCO包括ZnO、In2O3、SnO2及其掺杂体系AZO、ITO、FTO中的一种。由于本发明所述的方法在外加磁场环境中利用激光辐照处理，其原理是利用磁场对磁性金属的作用力，使得所述薄膜表面的晶体在重结晶的同时变得更加致密、均匀，提高透光率和导电性，因此，所述金属层M必须为磁性金属，例如Fe、Co、Ni及其合金。

[0029] 实施例1：

[0030] 以FTO玻璃作为基底，经超声清洗、烘干后，再用高真空直流磁控溅射仪在FTO玻璃基底上溅射沉积Ni层，获得Ni/FTO透明导电薄膜。Ni靶纯度为99.99％，溅射电流为100mA，溅射时间为30秒，溅射气体为氩气，工作压强为0.035MPa。

[0031] 本实施例中，使用一块永磁铁作为磁场的发生装置，将永磁铁放置于样品台的正下方，Ni/FTO透明导电薄膜被放置于样品台上、位于磁铁的正上方，如图1所示。采用超短脉冲激光器以脉宽为1～2ns、波长为532nm、重复频率为1kHz的纳秒激光对Ni/FTO透明导电薄膜进行激光辐照处理。

[0032] 在激光辐照处理时，调整样品台的位置使Ni/FTO透明导电薄膜的表面位于经凸透镜聚焦后的激光焦点后2.0mm处，所述激光焦点后的位置如图3所示；控制激光能量密度2
为0.95J/cm，扫描速度为10mm/s；根据激光能量确定激光束的扫描线宽为90μm，据此设定线间距为40μm，设定各线扫描次数为1次；控制激光光束运动，使激光光束垂直于薄膜表面扫描，扫描所述Ni/FTO透明导电薄膜的整个表面。所得样品的SEM图，如图7所示。与图5所示未处理Ni/FTO的SEM图、图6所示的无磁场激光辐照处理Ni/FTO样品的SEM图相比，本实施例所制备的样品的晶体颗粒略有增大，并且变得更加致密，均匀，这对薄膜的透光率和导电性的提高都是非常有利的。

[0033] 实施例2：

[0034] 以FTO玻璃作为基底，经超声清洗、烘干后，再用高真空直流磁控溅射仪溅射Ni层，Ni靶纯度为99.99％，溅射电流为100mA，溅射时间为30秒，溅射气体为氩气，工作压强为0.035MPa。将金属Ni沉积在FTO玻璃基底上，获得Ni/FTO透明导电薄膜。

[0035] 本实施例中，使用两块永磁铁作为磁场的发生装置，两块磁铁放置在样品台的两侧，如图2所示，Ni/FTO透明导电薄膜被放置于样品台上、位于两块永磁铁的中间。采用超短脉冲激光器以脉宽为1～2ns、波长为532nm、重复频率为1kHz的纳秒激光对Ni/FTO透明导电薄膜进行激光辐照处理。

[0036] 在激光辐照处理时，调整样品台的位置使Ni/FTO透明导电薄膜表面位于经凸透2
镜聚焦后的激光焦点后2.0mm处；控制激光能量密度为0.95J/cm，扫描速度为10mm/s；根据激光能量确定激光束的扫描线宽为90μm，据此设定线间距为40μm，设定各线扫描次数为1次；控制激光光束运动，使激光光束垂直于薄膜表面扫描，扫描所述Ni/FTO透明导电薄膜的整个表面。所得样品的SEM图，如图8所示。与图5所示的未处理Ni/FTO的SEM图、图
6所示的无磁场激光辐照处理Ni/FTO样品的SEM图相比，所得样品的晶体颗粒略有增大，并且变得更加致密，均匀，这对薄膜的透光率和导电性的提高都是非常有利的。

[0037] 图4为实施例1、实施例2与无磁场辅助情况下加工的透明导电薄膜的透光率谱图。从图4可以看出，在磁场的辅助作用下，无论样品在磁铁正上方还是在两块磁铁中间，两者的透光率均高于无磁场辅助情况下加工的样品，这充分说明，磁场在激光加工过程中起到了不可忽视的作用。

[0038] 所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

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