[發(fā)明專利]用于光電子學(xué)和光子學(xué)應(yīng)用的超薄的摻雜的貴金屬膜

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201580037756.6
• 申請日: 2015-05-22
• 公開（公告）號: CN107077906B
• 公開（公告）日: 2020-08-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郭凌杰;張誠
• 申請（專利權(quán)）人: 密歇根大學(xué)董事會
• 主分類號: H01B1/02
• 分類號: H01B1/02;H01B5/14
• 代理公司: 北京集佳知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 蔡勝有;蘇虹

提供了導(dǎo)電的薄的光滑膜，其包含銀(Ag)和導(dǎo)電金屬如鋁(Al)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鉻(Cr)、金(Au)、鎂(Mg)、鉭(Ta)、鍺(Ge)或其組合。在其他替代變化方案中，提供了導(dǎo)電的薄的光滑膜，其包含金(Au)或銅(Cu)和導(dǎo)電金屬如鋁(Al)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鉻(Cr)、金(Au)、鎂(Mg)、鉭(Ta)、鍺(Ge)或其組合。這種材料具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，可以是超薄的、柔性的、透明的，并且具有低光損耗。還提供了并入有這種膜的組合件和制造該膜的方法。這些組合件可以用于具有高功率轉(zhuǎn)化效率的光伏和發(fā)光器件或者表現(xiàn)出高透射率和均勻響應(yīng)的光學(xué)超材料，等等。

相關(guān)申請的交叉引用

本申請要求于2014年5月23日提交的美國臨時申請第62/002,569號和于2014年5月30日提交的美國臨時申請第62/005,169號的權(quán)益。各上述申請的全部公開內(nèi)容通過引用并入本文。

政府權(quán)利

本發(fā)明是在由國家科學(xué)基金會(National Science Foundation)授予的DMR1120923下的政府支持下進(jìn)行的。政府對本發(fā)明具有一定的權(quán)利。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開內(nèi)容涉及用于多種光電子學(xué)和光子學(xué)應(yīng)用的導(dǎo)電薄膜，其包含摻雜有不同導(dǎo)電金屬(如鋁(Al))的貴金屬(如銀(Ag))。

背景技術(shù)

本部分提供與本公開內(nèi)容相關(guān)的背景信息，其不必要為現(xiàn)有技術(shù)。

薄金屬膜如薄貴金屬膜在光電子學(xué)和納米光子學(xué)中具有許多應(yīng)用。其中，銀(Ag)由于其優(yōu)異的導(dǎo)電性(在所有金屬中是最高的)和在電磁輻射的可見光波段中的低光損耗而被廣泛使用。在可見和近紅外(NIR)波長中的低光損耗部分地歸因于小的自由電子阻尼率和在紫外(UV)波長范圍內(nèi)的光學(xué)帶間躍遷的位置，使Ag成為最有利的等離子體材料之一。因此，Ag的薄膜具有許多重要的應(yīng)用，例如，在光學(xué)超材料(metamaterial)中和作為透明導(dǎo)體等。

銀層的表面形態(tài)和厚度對于各種應(yīng)用是重要的。然而，獲得薄且光滑的Ag膜已經(jīng)非常困難。相反，純Ag的薄膜表現(xiàn)出顯著的表面粗糙度并且可能是不連續(xù)的。這是由于Ag在膜生長期間由于銀金屬的熱力學(xué)而形成三維(3D)島的固有傾向。Ag遵循Volmer-Weber生長模式，其中沉積的Ag原子首先形成孤立的島。隨著沉積繼續(xù)，這些島生長并最終連接以形成半連續(xù)/導(dǎo)電膜。形成導(dǎo)電膜的臨界厚度被定義為逾滲閾值(percolation threshold)，其通常為10nm至20nm。然而，這種Ag膜的粗糙度大，15nm厚Ag膜的均方根(RMS)表面粗糙度值(從峰到谷)為約6nm(換句話說，RMS表面粗糙度為膜的總厚度的約40％)。粗糙的表面形態(tài)將損害膜的導(dǎo)電性并導(dǎo)致額外的光損耗，甚至當(dāng)島不能形成逾滲通路時產(chǎn)生非導(dǎo)電膜。盡管增加膜厚度可以減輕膜連續(xù)性的問題，但是厚膜具有增加的損耗，并且超材料的均勻性不可避免地受損。

為了解決薄Ag膜的粗糙度問題，廣泛采用的方法是在沉積銀作為膜之前，使用沉積在基底上的通常約為1nm至2nm厚的不同的鍺(Ge)潤濕層。Ge的存在使得薄(10nm至20nm)Ag膜的表面粗糙度降低超過一個量級。然而，Ge由于其小帶隙而在可見光范圍內(nèi)是高度損耗的，因此該雙層膜的透射率顯著降低。

或者，也已使用機(jī)械壓制方法在相對厚(例如，至少100nm厚)的銀膜上形成光滑表面，但此技術(shù)需要高工作壓力、超光滑模具，并且具有對Ag層下面的結(jié)構(gòu)造成損壞的可能性。此外，銀層的厚度可以增加散射，降低透射率，并增加損耗。期望開發(fā)用于制造導(dǎo)電薄膜的方法，所述方法提供Ag的益處，同時避免許多已經(jīng)阻止在多種光學(xué)和光子學(xué)應(yīng)用和器件中廣泛使用的各種缺點。

發(fā)明內(nèi)容

本部分提供了本公開內(nèi)容的一般概述，并且不是其全部范圍或其所有特征的全面公開。