張雅娟

武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院電信學(xué)院，湖北武漢 430074

透明導(dǎo)電薄膜（TCO）可以分為ITO（氧化銦錫）、AZO（氧化鋅鋁）等，都是氧化物薄膜。其中摻錫氧化銦（即ITO）薄膜是一種重?fù)诫s、高簡(jiǎn)并n型半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度接近3Ev,導(dǎo)電率高、可見光透過率高、機(jī)械硬度強(qiáng)，而且化學(xué)穩(wěn)定性好。因此，其薄膜材料廣泛應(yīng)用在太陽(yáng)能電池、顯示器、氣敏元件以及其他電子儀表的透明電極等方面。

1 ITO的特性

透明導(dǎo)電薄膜（TCO）的相關(guān)研究較早，它能把物質(zhì)的透明性和導(dǎo)電性這一對(duì)矛盾結(jié)合成一體的特點(diǎn)，引起人們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，TCO具有可見光范圍內(nèi)高透射率、紅外光范圍內(nèi)高反射率等特性，尤其是用氧化鋅做基底的TCO薄膜具有成本低，豐富原材料、無(wú)毒、無(wú)污染、沉積溫度低、熱穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用最廣泛的ITO薄膜有著復(fù)雜的立方鐵錳結(jié)構(gòu)和高電阻率、高透光率。

1.1 ITO的電學(xué)性質(zhì)

銦錫金屬氧化物（ITO）無(wú)論用何種方法去制備，它的結(jié)構(gòu)都是固定的立方In2O3結(jié)構(gòu)。工藝不同其多晶體結(jié)構(gòu)的主取向也會(huì)不一樣，略微影響其性能參數(shù)。

由于In2O3是一種透光性比較好的材料，因此ITO導(dǎo)電并不依賴于純凈半導(dǎo)體激發(fā)，而是由附加能級(jí)上的兩種載流子——電子、空穴激發(fā)。其內(nèi)部摻錫，且可形成氧空位分布，使得電子或空穴的濃度增加很多倍，從而其電導(dǎo)率與金屬導(dǎo)體非常接近。由摻雜反應(yīng)得到的Sn4+獲得一個(gè)電子，而這個(gè)電子容易脫離原子核束縛，變成自由電子，即成為載流子。同時(shí)In2O3中的In3+變成In+，從而ITO薄膜體現(xiàn)出高電導(dǎo)率和高投射率的特點(diǎn)。

影響ITO薄膜導(dǎo)電性能的主要是薄膜的面電阻、膜厚和電阻率。不同的膜厚和電阻率對(duì)應(yīng)著不同的面電阻。相對(duì)來(lái)說(shuō)，在制備ITO薄膜時(shí)要想獲得不同的膜厚是容易的，只需要調(diào)節(jié)薄膜沉積速度和沉積時(shí)間便可以滿足不同要求的膜厚，而且精確的膜厚和均勻性都可以通過不同的工藝手段和方法來(lái)解決。而薄膜電阻率大小控制就要困難點(diǎn)，它是ITO薄膜制備成功與否的關(guān)鍵因素和性能指標(biāo)。載流子濃度和載流子遷移率越小，薄膜的電阻率就越大。其中載流子濃度和薄膜內(nèi)部的錫、氧所占比例有關(guān)，通過改變這兩者的所占比例就可以改變薄膜電阻率。另一方面，載流子遷移率大小取決于制備薄膜時(shí)的沉積溫度，磁控濺射的壓降等因素。

1.2 ITO的光學(xué)性質(zhì)

ITO薄膜在紅外光區(qū)域和可見光區(qū)域內(nèi)的透光率均可達(dá)到90%以上。并且對(duì)微波段有明顯的衰減作用，這點(diǎn)被稱之為“藍(lán)移”現(xiàn)象，即光吸收邊界的現(xiàn)象。一般來(lái)說(shuō)，摻雜濃度越大，藍(lán)移現(xiàn)象越明顯。相比之下，AZO薄膜雖然也是n型半導(dǎo)體材料，但其透光率在可見光波段只能達(dá)到89%左右，只是在氫氣環(huán)境中的化學(xué)穩(wěn)定性比ITO薄膜好點(diǎn)，電阻率可達(dá)到3×10-4Ω·cm。而用溶膠凝膠法制備ITO薄膜，電阻率只能低至5.4×10-4Ω·cm。

重?fù)诫sAZO是建立在ZnO基底上的TCO薄膜，結(jié)構(gòu)是六方纖鋅礦型，其光學(xué)禁帶寬度可以達(dá)到3.2eV，再加上Zn的儲(chǔ)量豐富、無(wú)毒，而且比ITO容易腐蝕和實(shí)現(xiàn)摻雜，使得這種基底薄膜的研究發(fā)展迅速。如果不摻入B、Al、ln等III族元素或IV族元素的話，其薄膜電阻率雖然可以低至4.5×10-4Ω·cm，但是當(dāng)溫度一旦超過150℃以后，其光學(xué)性能和電學(xué)性能就不再穩(wěn)定了，故摻Al的AZO薄膜是比較節(jié)約成本的好性能薄膜。若是同時(shí)追求高透光率和高電導(dǎo)率以及性能穩(wěn)定，ITO薄膜依然是最具光電性能優(yōu)勢(shì)的首選。

ITO具有很好的導(dǎo)電性和透明性，因此，銦錫氧化物通常噴涂在玻璃、塑料及電子顯示屏上，用作透明導(dǎo)電薄膜，同時(shí)減少對(duì)人體有害的電子輻射及紫外、紅外輻射。

2 ITO的應(yīng)用

如今光學(xué)和電學(xué)技術(shù)密切結(jié)合，光電技術(shù)迅速發(fā)展，ITO薄膜可以做成一種性能良好的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管。它是用氧化銦錫作源極和漏極材料，因此也被喻為是一種很有前景的基于P型半導(dǎo)體的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管電極材料。由于ITO薄膜的電子導(dǎo)電性，遇到還原性氣體時(shí)電阻率下降，遇到氧化性氣體電阻率增加，若在其表面用化學(xué)沉積的方法獲得鉑膜，就可以大大提高ITO薄膜對(duì)酒精蒸汽的檢測(cè)靈敏度。這個(gè)特點(diǎn)使ITO廣泛用于報(bào)警、傳感測(cè)量等系統(tǒng)中。

除了上述簡(jiǎn)單應(yīng)用外，實(shí)際上ITO薄膜的主要應(yīng)用領(lǐng)域還是在液晶顯示器方面。從電子表、計(jì)算器、游戲機(jī)到電子辭典、臺(tái)式機(jī)、筆記本電腦、電子書、平板電腦、手機(jī)等產(chǎn)品，ITO薄膜無(wú)不跨足。它作為L(zhǎng)CD的基本材料之一，使得用其為基片做出的LCD具有很多優(yōu)點(diǎn)：輻射小、污染少、不影響電路元件的散熱、能量損耗低等，屬于低碳型顯示設(shè)備。目前的等離子體顯示器、場(chǎng)致發(fā)光顯示器等新一代平板顯示器，ITO膜玻璃也成為透明電極的最佳常用顯示材料。

此外利用ITO所特有的折射率區(qū)間特點(diǎn)和電導(dǎo)率，ITO薄膜作為減反射涂層，被廣泛用于太陽(yáng)能電池，即完成硅太陽(yáng)能電池的光生電流的收集工作；同時(shí)還可以有效地將收集的熱能引到不同的容器中。在航空、軍事方面，利用ITO薄膜做成的飛機(jī)擋風(fēng)玻璃、激光測(cè)距儀、軍事潛望鏡等的觀察窗，既隔熱又降溫，還可用于除霧除霜。ITO薄膜對(duì)微波的衰減能力，使得其廣泛用于國(guó)防安全機(jī)密系統(tǒng)中，例如絕密機(jī)房的透明窗等。

3 ITO薄膜前景展望

目前，最具有商業(yè)價(jià)值的制備ITO薄膜技術(shù)是溶膠凝膠法、真空磁控濺射法、噴霧熱分解法等，前者是化學(xué)方法制膜，后兩者是物理方法制膜。其中磁控濺射法的技術(shù)最為成熟可靠，但凡事都有兩面性，技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，出現(xiàn)了新的瓶頸——只有制備出高質(zhì)量的靶材才能獲得高性能參數(shù)的ITO薄膜。雖然ITO靶材的制備有常壓燒結(jié)法、真空熱壓法、熱等靜壓法、放電等離子燒結(jié)法、微波燒結(jié)法、粉漿澆注成形氣氛燒結(jié)法等，但制作靶材的關(guān)鍵技術(shù)大多是來(lái)自國(guó)外，而國(guó)外的相關(guān)技術(shù)又嚴(yán)格保密，尤其是美國(guó)、日本、德國(guó)等壟斷了其關(guān)鍵技術(shù)，這就導(dǎo)致真空磁控濺射制膜技術(shù)推廣使用受到約束，同時(shí)也提高了ITO薄膜的制備成本，這對(duì)ITO薄膜在汽車防爆玻璃、太陽(yáng)能玻璃等市場(chǎng)的進(jìn)一步開拓也帶來(lái)不少負(fù)面影響。從ITO靶材市場(chǎng)來(lái)看，80%的靶材來(lái)自靶材大尺寸、高性能的日本，尤其是粉漿澆注成形和常壓燒結(jié)的技術(shù)和設(shè)備制造技術(shù)在日本已經(jīng)很成熟，大尺寸靶材密度可以高達(dá)99%以上。這使得國(guó)內(nèi)不少企業(yè)不斷嘗試這方面的試驗(yàn)，力圖在靶材制備方面有所發(fā)展。此外，雖然我國(guó)的銦產(chǎn)量很高，占全球的70%以上，但由于ITO靶材來(lái)源的限制，使得銦的有效利用率并不高。這些都是有限的資源，因此合理利用這些稀有金屬也是目前人們研究的重點(diǎn)。

就設(shè)備操作性和產(chǎn)品成本而言，用化學(xué)方法，即溶膠凝膠鍍膜占很大的優(yōu)勢(shì)，而且比起噴霧熱分解法，它所制備出的ITO薄膜濃度要高的多，也均勻些。因此，從這幾點(diǎn)角度出發(fā)，在不久的未來(lái)溶膠凝膠制膜技術(shù)興許會(huì)搶占大部分的鍍膜工藝生產(chǎn)市場(chǎng)。由于國(guó)內(nèi)技術(shù)有限，這也意味著人們需要花更多的時(shí)間去進(jìn)一步了解ITO薄膜的導(dǎo)電機(jī)制、能帶結(jié)構(gòu)等各種性能機(jī)理。無(wú)數(shù)種鍍膜工藝的嘗試，會(huì)讓人們更了解各種薄膜的本質(zhì)和特點(diǎn)，做出高質(zhì)量的靶材，以滿足需求。

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