【摘要】 本研究创新性采用离子束减薄回流工艺，成功制备4.5nm超薄银膜，解决柔性光电器件透明电极厚度与性能矛盾，为可穿戴设备提供理想解决方案。

技术背景与挑战

透明导电薄膜（TCF）是现代光电子技术中的关键材料。目前商业化应用最广泛的透明导电氧化物（TCO），如氧化铟锡（ITO）、掺铝氧化锌（AZO）和氧化铟镓锌（IGZO），存在机械柔性差、大面积器件电导不足等局限性，难以满足可穿戴设备市场对柔性光电子产品的需求。

为应对这一挑战，研究人员提出了多种替代方案，包括石墨烯、碳纳米管、银纳米线和金属网格等。然而，这些材料各有局限：碳基材料虽提高机械柔性但电导率不足；银纳米线和金属网格虽能实现高透明度和低方阻，但制备工艺复杂且只能提供不连续的表面导电性。

 

超薄银膜的技术瓶颈

超薄银薄膜（UTAFs）作为潜在解决方案，在所有金属中具有最高的电导率和最低的光损耗。但根据Volmer-Weber生长模型，小于10nm的超薄银膜容易形成多孔或岛状结构，导致严重的光子和电子散射，显著降低透明度和电导率。

传统改善方法包括引入高润湿性金属层（如Al、Ti、Cu）或在银膜中掺杂这些金属，但这些金属的高光损耗会降低银膜的透明度。介质润湿层虽能避免光学损耗，但由于银金属表面能远大于其与介质基底的粘附能，难以实现完全润湿，银膜的极限厚度仍然受限。

 

离子束减薄回流工艺创新

本研究提出并验证了一种基于离子束的创新工艺，成功制备出高质量银薄膜，厚度可降至4.5nm。该工艺包含两个关键步骤：首先采用离子束溅射沉积技术制备高度连续的银薄膜，随后通过角度离子束抛光实现薄膜减薄。

该技术的核心优势在于：

  • ​原子级光滑表面​：抑制了表面粗糙度相关的电损耗和光损耗

  • ​优异光学性能​：表现出极高的品质因子（FoM）和极低的透射光学雾度（46 ppm）

  • ​卓越稳定性​：离子束溅射诱导的银原子在衬底中的浅注入确保UTAFs在极限厚度下的稳定性

  • ​出色柔韧性​：在高分子衬底上制备的UTAFs展现出极好的柔性应用潜力

 

图1 三维示意图显示的离子束稀释回流工艺流程在 UTAF 制造。B 系列示意图展示了使用 IBS 技术的银膜的详细生长过程。插图扫描电镜图像从上到下呈现在标称厚度为1,4和9纳米的形态。C 系列方案显示了银薄膜的稀释和抛光过程，使用斜视离子束刻蚀，以给定的入射角度参照样品表面。从左到右的插入扫描电镜图像显示了厚度分别为8,6和4.5 nm 的 Ag 薄膜的形貌演变。D 在 PET 板(60mm × 35mm)上拍摄4.5 nm 厚的 UTAF。比例尺为50纳米的所有插图在面板(b，c)。

 

工艺机理与技术优势

离子束减薄回流工艺通过精确控制离子束参数，实现了银薄膜的超薄化制备。模拟结果表明，该工艺独特的浅注入特性是获得高性能超薄银膜的关键。所得银膜具有以下突出特点：

1.极限薄度​：厚度可降至4.5nm，突破传统制备方法的厚度极限

2.​最佳性能​：电学性能和光学透明度达到最优平衡

3.最小雾度​：透射光学雾度极低，确保高清晰度

4.​优异柔韧性​：适用于柔性光电器件应用

 

应用前景与产业化价值

这项技术为银膜作为透明导体的实际应用提供了理想解决方案，特别适用于：

  • ​柔性显示器件​：为可折叠、可弯曲显示提供高性能透明电极

  • ​可穿戴电子产品​：满足穿戴设备对轻量化、柔性化的需求

  • ​高效光伏器件​：提升柔性太阳能电池的光电转换效率

  • ​透明电子设备​：推动透明电路和智能表面的发展

 

技术突破与行业影响

本研究通过离子束减薄回流工艺，成功突破了银薄膜制备的厚度极限，解决了传统方法无法兼顾超薄厚度与高性能的矛盾。该技术不仅为柔性光电子器件提供了高性能透明电极解决方案，也为其他金属薄膜材料的超薄化制备提供了新的技术思路。

 

​参考文献​

Ma, D., Ji, M., Yi, H. et al. Pushing the thinness limit of silver films for flexible optoelectronic devices via ion-beam thinning-back process. Nat Commun 15, 2248 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-46467-6.