我院張誠教授課題組在《先進光學材料》發表封面文章

作者: 时间:2021-03-29 点击数:


近日,我院張誠教授和美國密歇根大學安娜堡分校的L. Jay Guo教授(共同通訊作者)、甯波融光納米科技CTO季陳綱博士、密歇根大學安娜堡分校Yong-Bum Park博士,系統總結了金屬薄膜透明電極在材料選擇、制備技術、性質表征、光學結構設計以及光電子器件應用等方面的核心基礎知識和最新研究進展,以題目Thin-Metal-Film based Transparent Conductors: Material Preparation, Optical Design, and Device Applications在期刊Advanced Optical Materials 上發表特約綜述,並當選爲該雜志2021年第3期的封面文章。張誠教授爲本文的第一作者,華中科技大學爲第一研究單位。


   

1. Advanced Optical Materials 2021年第3期封面


透明電極作为一种兼具高导电性和高透光率的薄膜材料,在太阳能电池、发光二极管、可触显示屏和智能窗等光电器件中有着十分广泛的应用。目前最常用的透明電極材料为氧化铟錫(ITO。它能夠提供高的可見光透過率與低的電阻率,但受限于材料本身的性質和制備工藝,ITO的機械強度和柔韌性較差,不適用于柔性光電子器件。隨著科技日新月異的發展,可穿戴電子設備和曲屏手機等可彎折産品的湧現,ITO電極已經難以滿足此類新型光電子器件的要求。爲突破該瓶頸,科研人員探索了多種無ITO (ITO-Free) 的透明電極。其中,金属薄膜的制备工艺简单,机械柔韧性优良,可在柔性衬底上实现大面积、低缺陷和低成本的沉积。过去的十多年中,研究人员围绕提高金属薄膜透明電極的光电性能(如:光学透过率、导电性、环境稳定性等)和探索其在多种光电子器件中的应用开展了许多工作。

该综述文章系統總結了金屬薄膜透明電極在材料選擇、微纳加工制备、性質表征、光學結構設計以及光電子器件應用等方面的核心基礎知識和最新研究進展。


                           

圖2. 金属薄膜透明電極的材料制备,光学设计以及设备应用


低電阻率金屬薄膜的制備

金屬薄膜的電阻率與薄膜厚度、缺陷密度、表面形貌等因素息息相關。爲了抑制Volmer-Weber生長模式,獲得形貌平整、光電性能優良的金屬薄膜,可以添加介質金屬浸潤層、在襯底上塗覆分子聚合物表面活性劑來增強金屬與襯底之間的粘附能在沈積過程中少量摻雜其它金屬,也能改變薄膜的生長動力過程,降低缺陷密度,改善表面形貌。此外,提高沈積環境的真空度、采用冷卻襯底的手段也有助于高質量金屬薄膜的生長。制備所得的金屬薄膜的光學折射率、厚度等性質可以通過橢圓偏振光譜測量(spectroscopic ellipsometry進行表征。


高透光率金屬薄膜的光學設計

金屬薄膜在可見光波段的高反射率使其透光性大爲受限。爲了提高金屬薄膜的可見光透過率,一般采用在金屬層兩側添加介質減反層(dielectric anti-reflection layer的方式。对两侧减反层的介質材料、膜层结构進行不对称光学设计,可以更好地匹配入射端(空氣)和出射端(襯底)的折射率,以實現更優的減反效果。

作者在文章的最後對金属薄膜透明電極的应用场景進行了总结,并对制备金属薄膜通用准则的提出進行了展望。张诚教授在美国密歇根大学安娜堡分校攻读博士期间,在实验中偶然发现通过适量的金属掺杂,可以获得超薄、高质量、无润湿层的金属银膜。该发现提供了一种全新的制备高性能金属薄膜透明電極的方法。围绕该发现,张诚博士与合作者开展深入研究,揭示了相关的工作机理,探索了该材料在多种光电子器件、超构器件中的应用,并在Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Nature Communications, ACS Nano, ACS Photonics等期刊發表多篇研究論文該研究的相關專利已成功實現科技成果轉化。

張誠教授于2020年1月加入我院。課題組從事光學超構表面、超構材料、新型光電材料的研究。2020年在Light: Science & Applications、Physical Review Letters、Optica 、Nano Letters、Laser & Photonics Reviews、Advanced Optical Materials發表多篇研究論文,並獲得多個項目資助。歡迎學院的優秀學生加入課題組攻讀研究生或參與本科科研。


論文鏈接:https://doi.org/10.1002/adom.202001298


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