有机器件中低温低损伤磁控溅射沉积透明导电薄膜技术的研究进展

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)雷浩 作者:中国科学院金属研究所

  传统磁控溅射技术在有机衬底或有机光电材料上沉积透明导电氧化物阴极薄膜时,荷能粒子轰击有机衬底或有机光电材料会造成衬底或材料的温升和结构损伤,最终影响有机光电器件的性能与寿命,因此实现有机器件中透明导电阴极薄膜的低温低损伤磁控溅射制备过程是一个非常重要的研究课题。本文总结了过去十几年来低温低损伤磁控溅射沉积透明导电薄膜技术的进展,并提出了在确保低温低损伤溅射沉积的前提下,解决薄膜沉积速率较慢、靶材利用率较低和薄膜均匀性较差等问题的途径。探索出一种低温低损伤高速沉积性能优异透明导电薄膜的制备技术,是提高有机光电器件性能的关键。

  在过去的二十多年中,有机小分子/聚合物光电材料和器件的研究取得了迅速发展。与无机光电材料和器件相比,有机光电材料和器件具有较快的响应速度、较少的能量消耗、更高的亮度和可加工性等优点。其中以有机电致发光器件(OrganicLight-EmittingDevice,OLED)、有机光伏器件(OrganicPhotovoltaic,OPV)和有机薄膜晶体管(Organicthinfilmtransistor,OTFT)为典型代表,已在新型平板显示、固体照明、柔性显示、高密度信息传输与存储、新能源和光化学利用等领域显现了广阔的应用前景。

透明有机电致发光器件示意图

图1 透明有机电致发光器件示意图

  特别是近些年来,透明式的有机光电器件(Transparentorganic-baseddevice)备受关注(如透明OLED,见图1),其优势在于当不显示信息时面板是半透明的,显示时两面都可以接收到信息。在透明式有机光电器件中,要求阴极材料必须透明导电,虽然很薄的金属薄膜可以满足要求,但常常会遇到断路或金属氧化等问题,所以使用透明导电氧化物薄膜作为阴极材料是最佳选择。采用电子束蒸发法可以实现在有机衬底上沉积质量较好的透明导电薄膜,但是需要控制束流大小和密度,还需要将衬底加热到150oC。因此,在有机材料层上磁控溅射这种沉积过程中对有机材料的损伤和温升直接影响沉积透明导电氧化物薄膜是比较通用的方法,但传统的磁控溅射技术由于衬底面向靶材表面(即靶材与有机物衬底平行),等离子体处于靶材和衬底之间,具有一定能量的荷能粒子如反射原子(氩原子、氧原子)、溅射原子、二次电子和氧负离子等直接对有机物衬底轰击,容易产生静电损伤、离子轰击损伤、紫外光辐射损伤、等离子体热辐射损伤等问题,同时也会引起衬底温度的升高(见图2)。

传统磁控溅射示意图v

图2 传统磁控溅射示意图

  有机材料层与电极之间的电荷传输和载流子迁移,进而影响有机光电器件的性能与寿命。因此,有机器件中低温低损伤磁控溅射沉积透明导电薄膜是一个非常重要的研究课题。

展望

  对向靶材磁控溅射已经在低温低损伤透明导电薄膜沉积过程中表现出技术优势,逃逸出等离子体区的部分二次电子或离子可以通过调节和改变磁场形式及强度的方法得到抑制,但还需要进一步提高沉积速率和靶材利用率,特别是在大面积沉积时,还需要考虑到薄膜的均匀性问题。与永磁铁的磁场相比,旋转磁场技术不仅可以增加靶材的利用率,还可提高薄膜沉积过程中的稳定性,但目前这种技术仅在传统磁控溅射系统得到了应用。若将对向靶材磁控溅射与旋转磁场技术相结合并辅以改变溅射气体组分和比例等其他手段,相信会取得更好的低温低损伤沉积效果,并且能提高沉积速率、靶材利用率和薄膜的均匀性,为低温低损伤高速沉积透明导电薄膜提供一种新技术。

  另外,传统的硬式显示器已经无法满足人们对显示器功能的需求,而柔性显示器有轻、薄、耐冲击、可绕曲性且不受场合和空间限制等特性,但柔性材料热传导率低,对温度同样敏感,表面温度也容易上升;热膨胀系数大,容易造成薄膜和柔性衬底之间的应力而导致薄膜剥离,这些都限制了柔性器件的大规模应用。低温低损伤高速沉积的性非常适合于在柔性有机衬底上沉积透明电极,并在此基础上实现无应力薄膜的沉积,拓展低温低损伤高速磁控溅射技术的应用,将对柔性有机光电器件的工业化生产产生重要的影响。

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