本發(fā)明屬于透明導電薄膜，更具體地，涉及一種氫摻雜氧化鋅可見-近紅外透明導電薄膜及其制備方法。

背景技術：

1、透明導電薄膜因兼有高光學透過率和優(yōu)良的導電性而被廣泛應用于光電器件領域?，F(xiàn)階段，適用于可見光波段(0.38～0.78μm)的透明導電薄膜發(fā)展較為成熟，以摻錫氧化銦(in2o3:sn，ito)為代表的透明導電氧化物薄膜已實現(xiàn)商業(yè)化并占據(jù)可觀的市場份額。隨著光電探測、偽裝等軍事領域以及太陽能電池、智能窗等民用領域的進一步革新，透明導電薄膜不僅要滿足高可見光透明度，還需在近紅外光區(qū)域(0.78～2.50μm)保證良好的透過率(透過率往往要求不低于60％)。而商用ito材料盡管在可見光波段的透過率能夠超過70％，但在近紅外波段的透過率卻通常低于50％，該缺陷限制了其在對近紅外透明度有較高要求的場景的應用。

2、根據(jù)drude模型，金屬氧化物導電材料的透明窗口主要由半導體帶邊吸收和等離子體共振蕩效應共同決定，其中等離子體共振波長決定材料透明窗口的波長上限。ito自身的高載流子濃度使其等離子體共振波長靠近可見光區(qū)，導致近紅外透過率偏低。適當減少載流子濃度則能促使等離子體共振波長紅移，從而提高近紅外透過率。但載流子濃度降低將對材料的導電能力產(chǎn)生不利影響。而當載流子濃度保持不變時，載流子遷移率越高，材料的導電能力越強。為了同時優(yōu)化金屬氧化物的近紅外透過率和導電性，在控制適宜載流子濃度的條件下，提升載流子遷移率是關鍵所在?，F(xiàn)有技術中，研究人員利用鉬替代錫，開發(fā)了鉬摻雜氧化銦，該材料的遷移率約為相同載流子濃度ito的2倍、電導率可達1.25×104s·cm-1、波長1500nm處的透過率超過60％(j.e.n.swallow,b.a.d.williamson?and?etal,materials?horizons,2020,7,236-243)。中國專利說明書cn116072326a也公開了一種采用氧化鈦、氧化鉿等多元氧化物摻雜氧化銦靶材制備透明導電薄膜的方法，獲得的薄膜材料遷移率為80.5～82.5cm2·v-1·s-1，在0.40～1.20μm實現(xiàn)了90.0～90.5％的透過率，同時滿足高可見-近紅外透光率和高遷移率的要求。

3、上述提及的近紅外透明導電薄膜均以氧化銦作為基質(zhì)來進行摻雜，目前常用的透明導電薄膜也大多基于氧化銦材料。但氧化銦中的主要原料金屬銦屬于稀缺資源，隨著新能源、消費電子和光通信等產(chǎn)業(yè)對銦需求量的急劇增加以及環(huán)保政策對銦礦的開采限制，銦的價格波動和供應穩(wěn)定問題將嚴重制約氧化銦基透明導電材料的規(guī)?；a(chǎn)。鑒于此，設計并制備出遷移率高且成本低廉的無銦可見-近紅外透明導電材料對光電技術領域的發(fā)展具有重要意義。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明的目的在于提供一種氫摻雜氧化鋅可見-近紅外透明導電薄膜及其制備方法，其中通過控制薄膜的組成及結晶性，進而控制薄膜的載流子濃度、并提升遷移率，能夠有效解決傳統(tǒng)透明導電薄膜難以兼容高近紅外透過率和高電導率的技術問題。本發(fā)明得到的透明導電薄膜在可見光波段(0.38～0.78μm)的透過率不低于60％，在近紅外波段(0.78～2.50μm)的透過率不低于70％，且電導率良好。并且，由于本發(fā)明得到的是氫摻雜氧化鋅，避免了銦的使用，能夠克服含銦透明導電薄膜成本高昂的缺點，同時簡便的磁控濺射工藝(尤其是常溫磁控濺射工藝)也可使該可見-近紅外透明導電薄膜匹配更多應用場景。

2、為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種氫摻雜氧化鋅可見-近紅外透明導電薄膜，其特征在于，其制備方法如下：利用磁控濺射，以氧化鋅為靶材，并以混合有氫氣和/或水蒸氣的惰性氣體為濺射氣體，通過將濺射氣體中氫氣、水蒸氣的總體積占比控制為2～10％，并控制濺射氣壓為0.2～1.2pa，濺射功率密度為3.0～5.0w·cm-2，即可在襯底上沉積得到氫摻雜氧化鋅可見-近紅外透明導電薄膜；

3、該氫摻雜氧化鋅可見-近紅外透明導電薄膜在0.38μm～0.78μm波段的透過率不低于60％，在0.78μm～2.50μm波段的透過率不低于70％，室溫下電導率高于0.8×103s·cm-1。

4、作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，室溫下，所述透明導電薄膜的載流子遷移率高于35cm2·v-1·s-1，方阻低于30ω·sq-1。

5、作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述透明導電薄膜厚度為100～800nm。

6、按照本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供了上述氫摻雜氧化鋅可見-近紅外透明導電薄膜的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

7、s1.準備氧化鋅靶材以及潔凈的襯底；

8、s2.將襯底、氧化鋅靶材分別安裝于磁控濺射設備的襯底基座、靶材基座上；

9、s3.對所述磁控濺射設備進行抽真空處理，待設備腔室真空度下降至1×10-5～1×10-3pa時，向腔室通入混合有氫氣和/或水蒸氣的惰性氣體，并將氫氣、水蒸氣在混合氣體中的總體積占比控制為2～10％，同時控制濺射氣壓為0.2～1.2pa，濺射功率密度為3.0～5.0w·cm-2，如此進行磁控濺射，即可在襯底上沉積得到氫摻雜氧化鋅可見-近紅外透明導電薄膜。

10、作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述濺射時間為30～120分鐘，相應得到的透明導電薄膜厚度為100～800nm。

11、作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述惰性氣體為氬氣、氦氣中的至少一種。

12、作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，磁控濺射過程中，襯底溫度為20～60℃。

13、按照本發(fā)明的又一方面，本發(fā)明提供了上述氫摻雜氧化鋅可見-近紅外透明導電薄膜作為0.78μm～2.50μm波段透明導電薄膜的應用，其特征在于，該氫摻雜氧化鋅可見-近紅外透明導電薄膜在0.78μm～2.50μm波段的透過率不低于70％。

14、按照本發(fā)明的再一方面，本發(fā)明提供了上述氫摻雜氧化鋅可見-近紅外透明導電薄膜作為0.38μm～0.78μm波段透明導電薄膜的應用，其特征在于，該氫摻雜氧化鋅可見-近紅外透明導電薄膜在0.38μm～0.78μm波段的透過率不低于60％。

15、通過本發(fā)明所構思的以上技術方案，與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明通過設計氫摻雜氧化鋅薄膜，同時通過控制氫摻雜氧化鋅薄膜的組成及結晶性，進而控制薄膜的載流子濃度、并提升遷移率，得到的透明導電薄膜在可見光波段(0.38～0.78μm)的透過率不低于60％，在近紅外波段(0.78～2.50μm)的透過率不低于70％，室溫下電導率高于0.8×103s·cm-1、方阻低于30ω·sq-1。本發(fā)明中的氫摻雜氧化鋅可見-近紅外透明導電薄膜是通過磁控濺射工藝制備得到的，通過以氧化鋅為靶材，并以含有氫氣和/或水蒸氣的混合氣體為濺射氣體，同時嚴格調(diào)控摻氫濃度(通過將濺射氣體氫氣、水蒸氣總體積占比嚴格控制為2～10％)、濺射氣壓嚴格控制為0.2～1.2pa、濺射功率密度嚴格控制為3.0～5.0w·cm-2，能夠有效控制制得的氫摻雜氧化鋅薄膜的氫摻雜量及結晶性，得到的氫摻雜氧化鋅，為六方纖鋅礦結構，結晶性良好，確保了近紅外波段的透光率和導電性。

16、具體說來，本發(fā)明能夠取得以下有益效果：

17、1.本發(fā)明得到的氫摻雜氧化鋅可見-近紅外透明導電薄膜的遷移率超過35cm2·v-1·s-1，顯著優(yōu)于其他摻雜氧化鋅材料(遷移率一般為1～30cm2·v-1·s-1)，因此具有優(yōu)良的近紅外透過率和導電性能，具體表現(xiàn)為其在近紅外波段(0.78～2.50μm)的透過率不低于70％、電導率高于0.8×103s·cm-1、方阻低于30ω·sq-1。

18、同時，本發(fā)明得到的透明導電薄膜在可見光波段(0.38～0.78μm)的透過率不低于60％，作為透明導電薄膜既可以用于可見光波段，也可以用于近紅外波段。

19、2.本發(fā)明中的氫摻雜氧化鋅可見-近紅外透明導電薄膜，不含銦，其主要成分為zn元素，價格低廉、儲量豐富，可有效降低透明導電薄膜的原材料成本。

20、3.本發(fā)明所提供的制備方法基于磁控濺射技術，工藝簡單且適合大規(guī)模生產(chǎn)應用。磁控濺射過程中，襯底溫度可以為20～60℃，尤其可在常溫條件下進行(襯底可以無需額外加熱)，適用于包括高溫耐受性較低的柔性材料在內(nèi)的多種襯底。