柔性氧化锌基透明导电薄膜的湿化学法制备与光电性能调控

Flexible transparent couducting oxides (TCO) films own the advantages of flexible possibility, light, being not easy fragile, and could be achieved in large scale with respect to hard films. However, there is still a key problem that how to improve the crystallinity and adhersion between films and substrates and the optoelectrical properties under the melting points of the organic substrates. In this work,a versatile wet-chemical processing employed for preparing the flexible ZnO-based TCO films will be developed, starting from adjusting the types of solvent and fuel, G/N ratio, morphology and size of nano-materials in precursor sols,to combine both combustion method and sol-gel processes, along with the ultra-violet irradiation and low temperature annealing (<150 ℃). We will set up the relationship of structure and properties, reveal the intrinsic origin of scattering and then explore several effctive ways, including optimaion of preparation processing, designning of multiple annealing, and energy band modulation etc., to modify the optoelectronic properties of the flexible films, which is of important significance to the lighting and commercial application of ZnO-based films electronic devices.

柔性透明导电氧化物(Transparent Conducting Oxides, TCO)薄膜相对于硬质薄膜具有可折叠、重量轻、不易破碎、易于大面积生产等优点，但如何在低于有机衬底耐热温度的处理温度下提高薄膜的成相质量、与衬底的粘附性和光电性能仍是柔性TCO薄膜应用和发展的一个十分关键的问题。本项目拟以调整燃烧合成前驱溶胶的溶剂、燃烧剂种类、G/N比等，以及调控纳米材料的形貌为切入点，运用溶胶－凝胶法旋涂或提拉工艺制膜，将燃烧合成与溶胶-凝胶两种方法有机结合起来，再配以紫外光照射和低温热处理（<150℃）等方式，设计出一套通用的柔性ZnO基TCO薄膜的湿化学制备工艺；研究薄膜的结构与光电性能关系，揭示内在的散射机理；并以此为理论依据，通过优化工艺细节、设计退火方式、调整能带结构等手段对柔性薄膜的光电性能进行调控，这对于基于ZnO基TCO薄膜电子器件的轻便化和商业化具有十分重要的意义。

伴随着可穿戴设备市场和电子器件轻便化需求的不断扩大，基于柔性透明导电氧化物（Transparent Conducting Oxides, TCO）薄膜的光电器件开发成为了当今国际上的研究热点之一。而如何运用简便的、可大面积成膜的湿化学工艺实现在柔性衬底上制成具有良好粘附性的薄膜，并不断提升柔性TCO薄膜的光电性能是其在光电器件领域应用和发展一个十分基础和关键的问题。本项目首先对燃烧合成法、溶胶-凝胶法制备的不同尺寸ZnO基纳米颗粒、粉体的结构与物性进行了深入研究，以确定相关工艺参数（如溶胶成分、燃烧剂种类、G/N比、掺杂元素、结晶温度、退火气氛等）对ZnO基材料结构和物性的影响规律。然后以此研究结果为重要的参考依据，经过大量的探索试验和参数优化，通过预先用酒精将柔性衬底粘合于载玻片以保持平整度的方法，采用简便的溶胶-凝胶法制备出了具有良好粘附性和光电性能的柔性ZnO基TCO薄膜。同时，本项目开展了不同因素（掺杂浓度、掺杂元素、退火温度、退火气氛、纳米材料形貌等）对柔性TCO薄膜光电性能的影响规律研究，建立起了薄膜结构-性能关系，并在此基础上设计了有效的调控手段进一步提升薄膜的光电性能，使柔性TCO薄膜的性能可与采用同样方法在硬质玻璃衬底上制备的薄膜相比拟。以上研究表明，湿化学工艺完全可以应用于柔性透明导电薄膜的制备，并且通过控制掺杂元素、掺杂浓度、退火条件、表面形貌等因素可以对薄膜的光电性能进行有效调控。这一研究结果对于大面积制备柔性TCO薄膜以实现工业化生产具有重要参考意义和应用价值，也将进一步推动基于柔性TCO薄膜电子器件轻便化和商业化的快速发展，为人类的生活带来更多便利。