[发明专利]一种近红外反射透明导电薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种近红外反射透明导电薄膜及其制备方法，尤其是包含铝掺氧化锌和金属Cu的多层结构薄膜，属于光电子信息功能材料领域。

背景技术

透明导电氧化物(TCO)作为一种重要的光电信息材料，对红外光线具有一定的反射性。在此类材料中，氧化锌(ZnO)相对于铟锡氧化物(ITO)和氧化锡(SnO2)，具有价格便宜、无毒、在氢等离子环境下稳定性好的优点，是一种最有希望替代ITO的材料。通过掺入Al，ZnO的电导率能提高三至五个数量级，红外反射性能可以得到一定程度的提高。但目前国内和国际上报道的ZnO:Al(AZO)薄膜通常只对波长大于2500nm的红外线效果较好，而对近红外线几乎没有反射效率。我们知道太阳辐射波长主要分布在250-2500nm范围内。从光热效应来讲，太阳光谱中主要是红外波段直接产生热效应，也就是800-2500nm的近红外部分，占太阳光谱能量的44％，而大于2500nm的中红外部分仅占太阳光能量的3％，所以目前报道的ITO和AZO镀膜红外反射玻璃并不能产生很好的遮阳效果。

另一种红外反射薄膜是在衬底上镀一层部分透光的金属膜，如铬、镍、钛和高级合金钢等。它可以反射红外光，但它同时把可见光强度也降低了很多倍。而且金属膜制备成本较高，化学和机械稳定性较差，容易老化。

发明内容

本发明的目的是针对单一透明导电氧化物(TCO)薄膜近红外反射效率低和金属膜可见光透过性能弱的问题，提供一种近红外反射透明导电薄膜及其制备方法。

本发明的近红外反射透明导电薄膜是由交替沉积在衬底上的金属Cu层和AZO层构成的多层薄膜。

一般，在衬底上自下而上依次沉积金属Cu层和AZO层构成的两层结构薄膜；或者是在衬底上自下而上依次沉积AZO层、金属Cu层和AZO层构成的三层结构薄膜。

上述的AZO层为铝掺杂透明导电膜，AZO层中金属元素的摩尔百分比含量为：

铝1～5％

余量为Zn，金属元素的含量之和为100％，(Zn+Al)与O的摩尔数之比为1∶1。

本发明中，金属Cu层可以是纯Cu或Cu基合金，金属Cu层的厚度为1～30nm。金属Cu层的厚度显著的影响着多层膜结构的光电性质。Cu层过薄，金属层呈岛状分布而不易形成连续膜，电子由于不连续Cu层散射的影响而迁移率降低，从而电阻率上升，红外反射效率下降。另一方面，岛状结构Cu层对光的散射也降低了薄膜结构的可见光透光性能。随着Cu层厚度的增加，薄膜结构的光电性质不断优化。但当Cu层过厚时，过厚的Cu层对光的反射会使可见光透光性能急剧恶化。超薄Cu层的引入存在着最佳膜厚。

上述AZO层的厚度为30～300nm。

上述的衬底可以是玻璃或石英或塑料或有机柔性衬底。

近红外反射透明导电薄膜的制备方法，步骤如下：

1)AZO层的制备：

将衬底放入磁控溅射装置的反应室中，反应室真空度抽到至少5×10^-3Pa，以Al摩尔百分含量为1～5％的(Zn+Al)合金为靶材，以纯Ar和纯O₂作为溅射气体输入反应室，采用直流反应磁控溅射沉积ZnO层，溅射气体的流量比Ar∶O₂＝2∶1～15∶1，气体压强为0.5～4.0Pa，溅射功率50～200W，衬底温度为常温；

2)金属Cu层的制备：

将衬底放入磁控溅射装置的反应室中，反应室真空度抽到至少5×10^-3Pa，以Cu或Cu的合金为靶材，以纯Ar作为溅射气体输入反应室，采用直流反应磁控溅射沉积金属Cu层，气体压强为0.5～4.0Pa，溅射功率50～200W，衬底温度为常温。

制备过程所用的Ar的纯度为99.99％以上，O₂的纯度为99.99％以上。

为了进一步提高所制备的近红外反射透明导电薄膜的光电性能，制备过程可进一步包括将沉积有金属Cu层和AZO层的薄膜在真空、氮气或大气环境条件下进行退火，退火时间为0.5～2小时，温度为100～600℃。

薄膜制备过程中，膜厚由生长时间决定，采用振荡膜厚监控仪实时监控，并用椭圆偏振仪精确测量。

本发明的有益效果在于：

1)本发明获得的近红外反射透明导电薄膜的电子载流子浓度在6×10²¹cm^-3以上，可见光区的平均透过率大于70％，近红外平均反射率大于60％。已达到近红外高反射膜的要求，在遮阳型红外反射结构中有巨大的应用；