HiPIMS沉積超薄Ag層——柔性透明電極&94%透過率

點睛：

采用HiPIMS技術(shù)在PET上制備SiN/Ag/SiN多層結(jié)構(gòu)，10nmAg層在37nmSiN上形成連續(xù)結(jié)晶膜（Ag(111)），實現(xiàn)550nm透過率94%、方阻9Ω/□、品質(zhì)因子62.76×10?3Ω?1。HiPIMS高離化率使Ag在低溫下連續(xù)成膜，避免島狀生長，優(yōu)于DCMS。

引言：

傳統(tǒng)ITO透明電極因銦資源稀缺、脆性大、需高溫加工，難以用于柔性電子。介質(zhì)/金屬/介質(zhì)結(jié)構(gòu)如SiN/Ag/SiN中，超薄Ag層需在熱敏PET上連續(xù)、光滑沉積。HiPIMS具有高金屬離化率，可在室溫下實現(xiàn)致密、高附著力薄膜。能否通過HiPIMS優(yōu)化Ag層厚度與SiN層厚度，制備出兼具高透光、高導電、高機械柔性的透明電極？

解析：

亞歷山德魯?伊萬?庫扎大學交叉學科研究所的Laura Hrostea等采用HiPIMS技術(shù)，以“Performance and stability optimization of SiN/Ag/SiN Transparent Electrodes Deposited by HiPIMS on PET substrates for Flexible Electronics”為題發(fā)表在《Surfaces and Interfaces》上，其工藝參數(shù)如下：

1）基體：PET薄膜；2）靶材：Si靶，Ag靶；3）工作氣體：Ar，N?，氣壓0.7Pa；4）電源參數(shù)：SiN層：脈寬5μs，頻率200Hz，平均功率80W；Ag層：脈寬50μs，頻率50-150Hz，峰值電流50-150A；5）沉積過程：靶基距8cm，室溫，不破真空依次沉積SiN底、Ag、SiN頂；6）膜厚：SiN層15-60nm，Ag層5-15nm。

圖1 單層SiN、SiN/Ag雙層和SiN/Ag/SiN三層的透射光譜

圖1比較了37 nm SiN單層、37 nm SiN/10 nm Ag雙層和37 nm/10 nm/37 nm三層的透射率。單層SiN在550 nm處透過率約97%，近紫外區(qū)略有下降。雙層結(jié)構(gòu)在550 nm處透過率降至71.5%，且在340 nm附近出現(xiàn)干涉增強峰（83.3%）。三層結(jié)構(gòu)的透過率顯著提升，在550 nm處達94%，且在400-800 nm范圍內(nèi)均高于雙層，甚至在460 nm處達99.4%。

圖2 Ag層厚度對電學性能的影響

圖2a顯示，SiN厚度固定37nm，Ag從5nm增至10nm，方阻從31.7Ω/□驟降至9.0Ω/□，再增至15nm時降至4.5Ω/□。表明10nm為逾滲閾值，形成連續(xù)導電網(wǎng)絡(luò)。圖2d-e給出10nm Ag時載流子濃度5.21×1021 cm?3，霍爾遷移率15.54 cm2/Vs，電阻率7.70×10?? Ω·cm為優(yōu)。

圖3 SiN??/Ag??/SiN??的斷面SEM圖像

圖3a顯示SiN底層(37nm)和Ag層(10nm)連續(xù)、均勻，界面平整。圖3b高倍可分辨各層厚度。Ag層在10nm仍保持無孔洞連續(xù)膜，歸因于HiPIMS高能離子轟擊促進Ag原子表面擴散，避免島狀生長。AFM補充顯示：5nm Ag為孤立島狀，7.5nm蠕蟲狀，10nm完全閉合。

圖4 SiN??/Ag??/SiN??的掠入射XRD圖譜

圖4GIXRD顯示2θ=38.2°處強峰為Ag(111)，另有(200)、(220)、(311)弱峰，表明Ag為多晶面心立方結(jié)構(gòu)。PET襯底在22°和25°有寬峰。Ag(111)峰尖銳表明結(jié)晶良好，與高遷移率直接相關(guān)。HiPIMS離子能量促使低溫下Ag仍結(jié)晶良好。

結(jié)論與延伸：

1. SiN??/Ag??/SiN??透過率94%，方阻9Ω/□，品質(zhì)因子62.76×10?3Ω?1，優(yōu)于多數(shù)ITO和DMD電極。

2. HiPIMS高離化率使10nm Ag連續(xù)結(jié)晶(Ag(111))，遷移率15.54 cm2/Vs，電阻率7.70×10??Ω·cm；更薄Ag(5nm)為島狀，導電性差且不穩(wěn)定。

論文DOI：10.1016/j.surfin.2025.108234