氧化銦錫（ITO）透明導電膜的特性及應用研究

張雅娟

武漢職業技術學院電信學院，湖北武漢 430074

透明導電薄膜（TCO）可以分為ITO（氧化銦錫）、AZO（氧化鋅鋁）等，都是氧化物薄膜。其中摻錫氧化銦（即ITO）薄膜是一種重摻雜、高簡并n型半導體材料，其禁帶寬度接近3Ev,導電率高、可見光透過率高、機械硬度強，而且化學穩定性好。因此，其薄膜材料廣泛應用在太陽能電池、顯示器、氣敏元件以及其他電子儀表的透明電極等方面。

1 ITO的特性

透明導電薄膜（TCO）的相關研究較早，它能把物質的透明性和導電性這一對矛盾結合成一體的特點，引起人們進一步發現，TCO具有可見光范圍內高透射率、紅外光范圍內高反射率等特性，尤其是用氧化鋅做基底的TCO薄膜具有成本低，豐富原材料、無毒、無污染、沉積溫度低、熱穩定性高等優點。應用最廣泛的ITO薄膜有著復雜的立方鐵錳結構和高電阻率、高透光率。

1.1 ITO的電學性質

銦錫金屬氧化物（ITO）無論用何種方法去制備，它的結構都是固定的立方In2O3結構。工藝不同其多晶體結構的主取向也會不一樣，略微影響其性能參數。

由于In2O3是一種透光性比較好的材料，因此ITO導電并不依賴于純凈半導體激發，而是由附加能級上的兩種載流子——電子、空穴激發。其內部摻錫，且可形成氧空位分布，使得電子或空穴的濃度增加很多倍，從而其電導率與金屬導體非常接近。由摻雜反應得到的Sn4+獲得一個電子，而這個電子容易脫離原子核束縛，變成自由電子，即成為載流子。同時In2O3中的In3+變成In+，從而ITO薄膜體現出高電導率和高投射率的特點。

影響ITO薄膜導電性能的主要是薄膜的面電阻、膜厚和電阻率。不同的膜厚和電阻率對應著不同的面電阻。相對來說，在制備ITO薄膜時要想獲得不同的膜厚是容易的，只需要調節薄膜沉積速度和沉積時間便可以滿足不同要求的膜厚，而且精確的膜厚和均勻性都可以通過不同的工藝手段和方法來解決。而薄膜電阻率大小控制就要困難點，它是ITO薄膜制備成功與否的關鍵因素和性能指標。載流子濃度和載流子遷移率越小，薄膜的電阻率就越大。其中載流子濃度和薄膜內部的錫、氧所占比例有關，通過改變這兩者的所占比例就可以改變薄膜電阻率。另一方面，載流子遷移率大小取決于制備薄膜時的沉積溫度，磁控濺射的壓降等因素。

1.2 ITO的光學性質

ITO薄膜在紅外光區域和可見光區域內的透光率均可達到90%以上。并且對微波段有明顯的衰減作用，這點被稱之為“藍移”現象，即光吸收邊界的現象。一般來說，摻雜濃度越大，藍移現象越明顯。相比之下，AZO薄膜雖然也是n型半導體材料，但其透光率在可見光波段只能達到89%左右，只是在氫氣環境中的化學穩定性比ITO薄膜好點，電阻率可達到3×10-4Ω·cm。而用溶膠凝膠法制備ITO薄膜，電阻率只能低至5.4×10-4Ω·cm。

重摻雜AZO是建立在ZnO基底上的TCO薄膜，結構是六方纖鋅礦型，其光學禁帶寬度可以達到3.2eV，再加上Zn的儲量豐富、無毒，而且比ITO容易腐蝕和實現摻雜，使得這種基底薄膜的研究發展迅速。如果不摻入B、Al、ln等III族元素或IV族元素的話，其薄膜電阻率雖然可以低至4.5×10-4Ω·cm，但是當溫度一旦超過150℃以后，其光學性能和電學性能就不再穩定了，故摻Al的AZO薄膜是比較節約成本的好性能薄膜。若是同時追求高透光率和高電導率以及性能穩定，ITO薄膜依然是最具光電性能優勢的首選。

ITO具有很好的導電性和透明性，因此，銦錫氧化物通常噴涂在玻璃、塑料及電子顯示屏上，用作透明導電薄膜，同時減少對人體有害的電子輻射及紫外、紅外輻射。

2 ITO的應用

如今光學和電學技術密切結合，光電技術迅速發展，ITO薄膜可以做成一種性能良好的有機場效應管。它是用氧化銦錫作源極和漏極材料，因此也被喻為是一種很有前景的基于P型半導體的有機場效應管電極材料。由于ITO薄膜的電子導電性，遇到還原性氣體時電阻率下降，遇到氧化性氣體電阻率增加，若在其表面用化學沉積的方法獲得鉑膜，就可以大大提高ITO薄膜對酒精蒸汽的檢測靈敏度。這個特點使ITO廣泛用于報警、傳感測量等系統中。

除了上述簡單應用外，實際上ITO薄膜的主要應用領域還是在液晶顯示器方面。從電子表、計算器、游戲機到電子辭典、臺式機、筆記本電腦、電子書、平板電腦、手機等產品，ITO薄膜無不跨足。它作為LCD的基本材料之一，使得用其為基片做出的LCD具有很多優點：輻射小、污染少、不影響電路元件的散熱、能量損耗低等，屬于低碳型顯示設備。目前的等離子體顯示器、場致發光顯示器等新一代平板顯示器，ITO膜玻璃也成為透明電極的最佳常用顯示材料。

此外利用ITO所特有的折射率區間特點和電導率，ITO薄膜作為減反射涂層，被廣泛用于太陽能電池，即完成硅太陽能電池的光生電流的收集工作；同時還可以有效地將收集的熱能引到不同的容器中。在航空、軍事方面，利用ITO薄膜做成的飛機擋風玻璃、激光測距儀、軍事潛望鏡等的觀察窗，既隔熱又降溫，還可用于除霧除霜。ITO薄膜對微波的衰減能力，使得其廣泛用于國防安全機密系統中，例如絕密機房的透明窗等。

3 ITO薄膜前景展望

目前，最具有商業價值的制備ITO薄膜技術是溶膠凝膠法、真空磁控濺射法、噴霧熱分解法等，前者是化學方法制膜，后兩者是物理方法制膜。其中磁控濺射法的技術最為成熟可靠，但凡事都有兩面性，技術發展到現在，出現了新的瓶頸——只有制備出高質量的靶材才能獲得高性能參數的ITO薄膜。雖然ITO靶材的制備有常壓燒結法、真空熱壓法、熱等靜壓法、放電等離子燒結法、微波燒結法、粉漿澆注成形氣氛燒結法等，但制作靶材的關鍵技術大多是來自國外，而國外的相關技術又嚴格保密，尤其是美國、日本、德國等壟斷了其關鍵技術，這就導致真空磁控濺射制膜技術推廣使用受到約束，同時也提高了ITO薄膜的制備成本，這對ITO薄膜在汽車防爆玻璃、太陽能玻璃等市場的進一步開拓也帶來不少負面影響。從ITO靶材市場來看，80%的靶材來自靶材大尺寸、高性能的日本，尤其是粉漿澆注成形和常壓燒結的技術和設備制造技術在日本已經很成熟，大尺寸靶材密度可以高達99%以上。這使得國內不少企業不斷嘗試這方面的試驗，力圖在靶材制備方面有所發展。此外，雖然我國的銦產量很高，占全球的70%以上，但由于ITO靶材來源的限制，使得銦的有效利用率并不高。這些都是有限的資源，因此合理利用這些稀有金屬也是目前人們研究的重點。

就設備操作性和產品成本而言，用化學方法，即溶膠凝膠鍍膜占很大的優勢，而且比起噴霧熱分解法，它所制備出的ITO薄膜濃度要高的多，也均勻些。因此，從這幾點角度出發，在不久的未來溶膠凝膠制膜技術興許會搶占大部分的鍍膜工藝生產市場。由于國內技術有限，這也意味著人們需要花更多的時間去進一步了解ITO薄膜的導電機制、能帶結構等各種性能機理。無數種鍍膜工藝的嘗試，會讓人們更了解各種薄膜的本質和特點，做出高質量的靶材，以滿足需求。

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