Nat. Commun. ǀ 薄透清柔：离子束工艺赋能超薄Ag薄膜- 大数跨境

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Nat. Commun. ǀ 薄透清柔：离子束工艺赋能超薄Ag薄膜

两江科技评论

2024-04-20

导读：近日，湖南大学段辉高教授、陈艺勤副教授团队联合博顿光电科技有限公司、季华实验室针对如何克服超薄Ag难以连续成膜这一难题，通过离子束增减材协同原位制造手段，实现了4.5 nm厚的连续Ag薄膜制备，将连续

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撰稿|由课题组供稿

导读

近日，湖南大学段辉高教授、陈艺勤副教授团队联合博顿光电科技有限公司（IBDTEC）、季华实验室针对如何克服超薄Ag难以连续成膜这一难题，通过离子束增减材协同原位制造手段，实现了4.5 nm厚的连续Ag薄膜制备，将连续Ag薄膜薄度推进至新极限。该工艺通过离子束溅射过程中金属原子的微注入来提升Ag在衬底表面的成膜特性，可实现连续Ag薄膜生长的更低阈值厚度；同时，在更稳定的连续薄膜的基础上，通过原位离子束减薄，可将连续Ag薄膜减薄至4.5 nm。相关成果以“Pushing the thinness limit of silver films for flexible optoelectronic devices via ion-beam thinning-back process”为题发表在国际顶级期刊Naure Communications上。

研究背景

透明电极是现代光电子学中不可或缺的材料。到目前为止，透明导电氧化物（Transparent Conductive Oxides, TCO）是商业化光电器件中最常用的透明导电薄膜，但TCO材料的脆硬性质难以满足未来柔性器件的发展趋势。透明金属薄膜是柔性透明电极有效解决方案之一，其中Ag薄膜凭借极高电导率及极低光学损耗，成为超薄金属电极最合适的金属材料。要实现高透明度，Ag薄膜的厚度需要薄至10 nm以下。然而，受表面能失配的限制，亚10 nm厚度的Ag薄膜形貌表现为不连续或颗粒状，这些不连续形貌缺陷产生电子及光子散射，导致透明度及电导率性能降低。因此，如何实现极致“薄”度的连续Ag薄膜生长是实现其高“透”性能的关键。

研究亮点

论文提出的离子束增减材协同原位制备超薄Ag薄膜的工艺流程如图1所示。科研团队运用双离子束溅射系统，首先使用主离子源产生Ar⁺离子，溅射沉积高度连续的Ag薄膜，然后使用辅助离子源斜角刻蚀刚沉积的连续Ag薄膜，将其减薄至厚度极限。在斜角离子束刻蚀过程中，Ag薄膜不仅厚度逐渐降低，而且表面粗糙度也进一步得到改善，最终实现厚度低至4.5 nm（薄）、表面粗糙度低至0.18 nm的超薄Ag薄膜。制备的超薄Ag薄膜由于优越的长程连续性和极低的表面粗糙度使得其具有优异的光学和电学性能，如图2所示，表现出高的透射率（透）、极低的光学雾度（清）、极高的耐弯折性能（柔）。4.5 nm厚度的超薄Ag薄膜的可见光波段平均透射率高达82%，而离子束溅射直接沉积的不连续的岛状Ag薄膜的透射率仅为63%。特别地，4.5 nm厚度的超薄Ag薄膜展现出极低的光学雾度，可见光波段积分平均雾度低至46 ppm。作为概念展示，科研团队运用该工艺直接将超薄Ag薄膜制备在PET柔性衬底上，展示了优异的机械柔性，如图3所示，并实现了其在柔性电阻式触摸屏和柔性交流电致发光器件中的可靠应用。这种基于离子束增减材制备超薄Ag薄膜的方法为柔性光电子器件提供了一种可行的解决方案。

图1 基于离子束增减材复合加工的超薄Ag薄膜制备工艺。a 制备超薄Ag薄膜的工艺流程示意图；b Ag薄膜正向生长过程示意图及不同沉积厚度下表面形貌的扫描电子显微镜照片；c Ag薄膜反向减薄抛光过程示意图及减薄至不同厚度下表面形貌的扫描电子显微镜照片；d 在PET衬底上4.5 nm厚连续Ag薄膜的光学照片。

图2 超薄Ag薄膜的形貌和光-电性能表征。a 4.5 nm厚度的超薄Ag薄膜的截面透射电子显微镜图像，标尺5 nm；b 不同厚度的超薄Ag薄膜的方块电阻。空心点为从每个样本的五个随机位置提取的方块电阻的原始数值，实线为FS-MS模型中不同厚度Ag薄膜的方块电阻值的拟合曲线；c 不同厚度的超薄Ag薄膜的可见光透射率；d 不同厚度的超薄Ag薄膜的可见光波段平均光学雾度；e 12英寸玻璃晶圆（顶部照片）和300 mm×300 mm的PET基片（底部照片）上的9 nm厚度的超薄Ag薄膜照片。

图3 超薄Ag薄膜的机械柔性和柔性光电器件应用。a 9 nm厚度的超薄Ag薄膜在不同弯折曲率半径下的静态机械柔性；b 9 nm厚度的超薄Ag薄膜和商用ITO在10万次弯折循环过程中方阻的变化，插图显示在PET上的ITO和超薄Ag薄膜（UTAF）分别在1万次和10万次弯折循环后的光学显微图像和扫描电子显微镜图像。插图中的标尺：左侧光学图像中为25 μm，右侧扫描电子显微镜图像中为100 nm；c 可弯折电阻式触摸屏概念展示；d 柔性交流电致发光器件三维结构示意图；e 制备的柔性交流电致发光器件的亮度随弯折曲率半径的变化；f 柔性交流电致发光器件的亮度稳定性的循环弯折测试。