一种高导电p型非晶态透明导电薄膜材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高导电p型非晶态透明导电薄膜材料及其制备方法，属于光电子材料领域。本发明专利技术针对现有透明导电薄膜材料在非晶态时的p型导电率低这一难题，基于碘硫化亚铜材料获得具有极高p型电导率的非晶态透明薄膜，其分子式为CuI

【技术实现步骤摘要】
一种高导电p型非晶态透明导电薄膜材料及其制备方法
[0001]

[0002]本专利技术属于光电子材料领域，涉及一种基于碘硫化亚铜的高导电p型非晶态透明导电薄膜及其规模化生产的方法。

技术介绍

[0003]非晶态透明导电薄膜是光电、透明和柔性电子器件的关键构成材料，例如用于光电与柔性器件的透明电极层、薄膜场效应管的沟道层、电磁屏蔽和低辐射薄膜的透明导电层等。由于非晶态特性，该类薄膜适合在包括玻璃、聚合物在内的各类衬底上进行低温大面积均匀制备，且比结晶态材料具有更高的可卷曲性。
[0004]在实际应用中，透明导电薄膜通常需要电导率高于103S/cm，例如商用的铟掺杂氧化锡（ITO）。然而，现有非晶态透明导电材料大多为n型导电，p型导电性不佳，空穴电导率通常在10 S/cm以下，远未达到实用化透明导电薄膜的导电性要求。因此，高导电p型非晶透明导电材料的缺乏是当今透明导电技术发展的一大瓶颈。

技术实现思路

[0005]针对现有非晶态透明导电薄膜材料的p型导电率低这一难题，本专利技术的目的是提供一种基于碘硫化亚铜（CuI
x
S
y
）的高导电p型非晶态透明导电薄膜材料及其制备方法。
[0006]本专利技术的一种高导电p型非晶态透明导电薄膜材料，空穴载流子浓度约为10
22 cm
‑3，在厚度为50~300 nm时，可见光透过率可超过70%，p型电导率在1000~5000 S/cm范围内连续可调。
[0007]本专利技术的一种高导电p型非晶态透明导电薄膜材料，以碘硫化亚铜为主要成分，其分子式为CuI
x
S
y
，其中0<x/y<0.25；当x/y值高于0.25时，CuI闪锌矿结构的多晶相极易析出，破坏薄膜的单一非晶结构。
[0008]本专利技术的一种高导电p型非晶态透明导电薄膜材料的制备方法，以室温生长任意衬底上的金属铜或氮化铜薄膜作为初始的前驱体材料，随后以碘和硫单质作为反应材料进行碘硫化进行合成制备。
[0009]所述前驱体材料的制备过程，采用常规热蒸发或磁控溅射方法，在任意衬底上室温制备金属铜或氮化铜薄膜，获得薄膜厚度为20~100 nm。
[0010]所述的金属铜和氮化铜薄膜这两种前驱体材料在碘硫化之后所获得的CuI
x
S
y
非晶薄膜成分和电学性质基本相同；相比金属铜，氮化铜在碘硫化之后所获得的CuI
x
S
y
非晶薄膜表面更加平整，因此透光性更高。
[0011]所述的碘硫化过程，有两种结果基本相同的路径：路径A：首先，将所述的前驱体材料与重量为5~20 g的硫颗粒一同置于一个封闭的玻璃器皿中，加热至150~200 ℃，保持2~20 min，冷却后获得厚度为50~300 nm的Cu2‑
x
S非晶
薄膜（0<x<1）；随后，将该非晶态Cu2‑
x
S薄膜与重量为5~20 g的碘颗粒一同置于一个封闭的玻璃器皿中，在室温环境下保持2~20 min，获得CuI
x
S
y
非晶薄膜。
[0012]路径B：首先，将所述的前驱体材料与重量为5~20 g的碘颗粒一同置于一个封闭的玻璃器皿中，在室温环境下保持2~20 min，获得厚度为50~300 nm的CuI多晶薄膜；随后，将该CuI多晶薄膜与重量为5~20 g的硫颗粒一同置于一个封闭的玻璃器皿中，加热至150~200
ꢀ°
C，保持2~20 min，冷却后获得CuI
x
S
y
非晶薄膜。
[0013]所述路径A和路径B均可在大气中进行，无需惰性保护气体或真空环境。分别调节碘硫化时间，可实现CuI
x
S
y
非晶薄膜中的碘、硫成分比例的控制，使得碘硫摩尔比例满足0<x/y<0.25。
[0014]本专利技术的材料CuI
x
S
y
非晶薄膜是由两种p型宽禁带半导体Cu2‑
x
S和CuI混合形成的均质固溶体。其中Cu2‑
x
S虽然存在多种晶相，但本专利技术所述方法制备的Cu2‑
x
S薄膜为非晶态，禁带宽度为2.0~2.5eV，其优势在于本征空穴载流子浓度极高，可达10
22 cm
‑3数量级。CuI在室温下（< 390 o
C）呈γ相立方闪锌矿结构，禁带宽度约为3.1 eV，其优势在于可在整个可见光波长范围内实现透明，且低空穴有效质量（0.30m0）保证了高空穴迁移率。由这两种p型半导体材料形成的固溶体CuI
x
S
y
同样表现为本征p型导电，兼具Cu2‑
x
S和CuI的上述电学和光学性能优势。尤其是在非晶无序结构中，硫和碘这两种带负电重离子与亚铜这种带正电轻离子进行随机组合时产生协同作用，硫离子与碘离子的最外层电子云互相重叠而构成价带顶结构，即空穴载流子的传输通道。这种传输通道不受晶格扭曲的影响，因此可在非晶中保障空穴载流子的快速传导。综合以上因素，CuI
x
S
y
非晶薄膜可同时具备优异的可见光透明性和空穴导电性。
[0015]本专利技术的非晶透明p型CuI
x
S
y
薄膜，解决了传统透明导电材料p型导电性低的难题，其1000~5000 S/cm的高电导率可媲美商用ITO透明导电薄膜。
[0016]本专利技术的CuI
x
S
y
薄膜制备成本低廉，易于大面积成膜，适合规模化生产，且较低的合成温度适合在其他半导体材料上集成。
[0017]本专利技术的CuI
x
S
y
薄膜，其铜、碘、硫等原材料相比商用ITO透明导电薄膜所使用的昂贵铟金属具有显著的成本优势。
附图说明
[0018]图1为本专利技术三个实施例CuI
x
S
y
非晶薄膜材料的可见光区透过率图谱；图2为本专利技术三个实施例CuI
x
S
y
非晶薄膜材料的p型电阻率随x/y值变化图。
具体实施方式
[0019]本专利技术提出一种高导电p型非晶态透明导电薄膜材料，其组成为碘硫化亚铜（CuI
x
S
y
）薄膜，其中0<x/y<0.25。在厚度为50~300 nm时，该薄膜可见光透过率可超70%，p型电导率在1000~5000 S/cm范围内连续可调。以室温生长任意衬底上的金属铜或氮化铜薄膜作为初始的前驱体材料，随后分别以碘和硫单质作为反应材料进行碘硫化进行合成制备，具体实施方式如下：实施例1（a）将石英玻璃衬底清洗干净后放入磁控溅射沉积室，待真空本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1. 一种高导电p型非晶态透明导电薄膜材料，其特征在于，所述薄膜材料的组成为碘硫化亚铜，其分子式为CuI
x
S
y
，其中，0<x/y<0.25；所述薄膜材料在保证可见光透过率>70%的情况下，空穴载流子浓度>10
22 cm
‑3，p型电导率在1000~5000 S/cm范围内连续可调。2.一种权利要求1所述高导电p型非晶态透明导电薄膜材料的制备方法，其特征在于，以室温生长任意衬底上的金属铜或氮化铜薄膜作为初始的前驱体材料，随后以碘和硫单质作为反应材料进行碘硫化合成制备；具体包括：步骤1：前驱体材料的制备采用常规热蒸发或磁控溅射方法，在室温任意衬底上制备金属铜或氮化铜薄膜，获得薄膜厚度为20~100 nm的前驱体材料；步骤2：前驱体材料的碘硫化首先，将所述的前驱体材料与重量为5~20 g的硫颗粒一同置于封闭的玻璃器皿中，加热至150~250℃，保持2~20 min，冷却后获得厚度为50~300nm的Cu2‑
x
S非晶薄膜，0<x<1；随后，将该非晶薄膜Cu2‑
x
S与重量为5~20g的碘颗粒一同置于封闭的玻璃器皿中，在室温环境下保持2~20 min，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨长，耿方娟，王亮君，阮丝园，杨佳霖，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：