Au表面活性劑輔助HiPIMS沉積超薄Ag層——滲流閾值提前&導(dǎo)電性倍增

點睛：

預(yù)沉積2nmAu納米顆粒作為表面活性劑，在HiPIMS沉積Ag時充當(dāng)額外成核位點。GISAXS顯示滲流閾值從3.3nm降至2.9?nm，Ag/Au/ZnO薄膜電導(dǎo)率達(dá)9.3×105?S/cm（無Au的Ag/ZnO僅4.5×105?S/cm）。

引言：

超薄銀層是柔性透明導(dǎo)電電極的關(guān)鍵材料，但傳統(tǒng)沉積中Ag遵循3D島狀生長，需較大厚度才能連續(xù)。預(yù)沉積金屬種子層（如Au）可改善Ag潤濕，然而其作用機(jī)制尚不明確。HiPIMS因高離化率可產(chǎn)生更多成核位點，結(jié)合原位X射線散射技術(shù)，本文實時監(jiān)測Ag生長過程，揭示Au納米顆粒作為“生長核”加速Ag成膜的機(jī)理。

解析：

德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)Suzhe Liang等采用HiPIMS技術(shù)，以“In situ studies revealing the effects of Au surfactant on the formation of ultra-thin Ag layers using high-power impulse magnetron sputter deposition”為題發(fā)表在《Nanoscale Horizons》上，實驗參數(shù)如下：

1）基體：Si(100)上旋涂ZnO薄膜13?nm；2）預(yù)處理：酸洗、旋涂、250?°C退火；3）Au種子層：熱蒸發(fā)2nmAu，形成直徑4.0±0.2?nm的納米顆粒；4）Ag沉積：HiPIMS，Ag靶，脈寬20?μs，頻率150?Hz，平均功率40W，峰值電流密度1.41?A/cm2，Ar氣，氣壓0.36?Pa，沉積速率0.312?nm/s，有效厚度0-9.4?nm；5）基片溫度：室溫/100?°C；

圖1 FESEM形貌對比

圖1c無Au顯示：Ag沉積3.1?nm時呈孤立島狀團(tuán)簇，9.4?nm時仍有明顯空隙。圖1d有Au顯示：Ag沉積3.1?nm時已形成基本連續(xù)的層，9.4?nm時完全覆蓋。AFM粗糙度顯示有Au時3.1?nmAg的R???為3.3?nm，無Au為5.2?nm。表明Au誘導(dǎo)更均勻的層狀生長。

圖2 GIWAXS揭示Ag結(jié)晶演變

圖2a無Au與2b有Au對比：有Au時，Ag(111)峰在有效厚度0.8?nm處即出現(xiàn)；無Au時需1.8?nm。圖2e顯示有Au時Ag(111)峰強(qiáng)度始終更高，結(jié)晶度更好。圖2f顯示Ag(111)峰半高寬隨厚度增加而減小，后期無Au的FWHM略低，晶?？赡苌源?。這表明Au種子層顯著降低Ag結(jié)晶所需的臨界厚度，促進(jìn)早期成核。

圖3 GISAXS形貌參數(shù)演化

圖3a-b為水平線切割映射圖，圖3b有Au時初始即存在對稱峰，來自Au納米顆粒，峰位穩(wěn)定至4?nm后緩慢移動，預(yù)沉積的Au納米顆粒充當(dāng)了Ag原子的成核位點和生長核心，導(dǎo)致其空間位置相對固定。提取平均半徑R和間距D（圖3c-d）：有Au時R從0.9?nm增至5.3?nm，D從7.5?nm增至10.4?nm；無Au時R從2.4?nm增至5.7?nm，D從6.2?nm增至11.5?nm。計算滲流閾值（2R/D=1）：有Au為2.9±0.1?nm，無Au為3.3±0.1?nm。這表明有Au時，Ag層在更小的厚度下即相互連接形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。

結(jié)論與延伸：

1. Au表面活性劑使HiPIMS沉積Ag的理論滲流閾值從3.3?nm降至2.9?nm，Ag結(jié)晶起始厚度從1.8?nm降至0.8?nm。2?nmAu納米顆粒作為額外成核位點，加速了Ag的連續(xù)成膜。

2. HiPIMS的高電離率產(chǎn)生了大量銀離子，這些離子在到達(dá)基體時具有更高能量，增強(qiáng)了表面遷移率，使銀膜從“島狀生長”向“偽層狀生長”轉(zhuǎn)變。

3. 對于精密電子元器件，HiPIMS相較于DCMS的優(yōu)勢不僅在于成膜致密，更在于能控制薄膜開啟導(dǎo)電的臨界點，節(jié)省大量貴金屬成本。

DOI: 10.1039/d4nh00159a