《Applied Surface Science》：對在柔性基材上溶液沉積法製備的氧化銦薄膜進行快速光子固化

背景：

In₂O₃是最重要的半導體金屬氧化物之一，主要是因為它具有寬帶隙
、高電子遷移率和加工通用性。為此，可以使用可擴展且廉價的基於溶液的沉積方法來製備高質量的In₂O₃薄膜
，從而使其在許多新興電子應用中具有吸引力。然ran而er
，傳chuan統tong的de溶rong液ye處chu理li通tong常chang需xu要yao高gao溫wen和he漫man長chang的de退tui火huo步bu驟zhou，這zhe使shi得de它ta不bu可ke能neng與yu溫wen度du敏min感gan的de塑su料liao基ji板ban結jie合he使shi用yong，而er這zhe將jiang是shi許xu多duo新xin興xing柔rou性xing器qi件jian應ying用yong所suo需xu要yao的de。在zai這zhe裏li，探tan索suo快kuai速su光guang子zi固gu化hua作zuo為wei熱re退tui火huo的de替ti代dai方fang法fa。氧yang化hua物wu薄bo膜mo在zai一yi係xi列lie襯chen底di上shang成cheng功gong製zhi備bei，包bao括kuo玻bo璃li
，聚ju酰xian亞ya胺an和he聚ju萘nai二er甲jia酸suan乙yi二er醇chun酯zhi。通tong過guo原yuan子zi力li顯xian微wei鏡jing和hex射線光電子能譜研究了襯底和後處理對形貌
、表麵化學和電子性能的影響。確定了係統趨勢，特別是前驅體的轉化程度及其對電子結構的影響。

文獻介紹：

後過渡金屬氧化物薄膜由於其優異的載流子遷移率和光學透明性，在電子和光學領域有著廣泛的應用。特別是
，In₂O₃及其與其他過渡後金屬(包括Sn、Zn

、Ga和Tl)的組合受到了極大的關注。這些材料的薄膜已經通過各種方法製備，包括濺射
、原子層沉積
、電沉積、燃(ran)燒(shao)和(he)基(ji)於(yu)溶(rong)液(ye)的(de)方(fang)法(fa)。金(jin)屬(shu)氧(yang)化(hua)物(wu)適(shi)合(he)溶(rong)液(ye)加(jia)工(gong)，因(yin)為(wei)可(ke)以(yi)製(zhi)備(bei)一(yi)係(xi)列(lie)相(xiang)對(dui)簡(jian)單(dan)的(de)前(qian)驅(qu)體(ti)
，利(li)用(yong)這(zhe)些(xie)沉(chen)積(ji)方(fang)法(fa)的(de)優(you)點(dian)，包(bao)括(kuo)低(di)成(cheng)本(ben)和(he)大(da)規(gui)模(mo)塗(tu)層(ceng)。然(ran)而(er)
，絕(jue)大(da)多(duo)數(shu)的(de)溶(rong)液(ye)方(fang)法(fa)依(yi)賴(lai)於(yu)溫(wen)度(du)通(tong)常(chang)高(gao)於(yu)200ºC的(de)熱(re)退(tui)火(huo)，持(chi)續(xu)一(yi)個(ge)小(xiao)時(shi)或(huo)更(geng)長(chang)時(shi)間(jian)，將(jiang)金(jin)屬(shu)前(qian)驅(qu)體(ti)轉(zhuan)化(hua)為(wei)所(suo)需(xu)的(de)半(ban)導(dao)體(ti)薄(bo)膜(mo)。這(zhe)一(yi)沉(chen)積(ji)後(hou)退(tui)火(huo)步(bu)驟(zhou)對(dui)於(yu)啟(qi)動(dong)與(yu)溶(rong)解(jie)金(jin)屬(shu)離(li)子(zi)結(jie)合(he)的(de)配(pei)體(ti)的(de)解(jie)理(li)和(he)非(fei)晶(jing) M-O-M 網絡的形成/重組是必要的。獲得高質量氧化薄膜所需的高溫阻礙了該技術在聚合物襯底上的實施，從而限製了其在柔性電子器件製造中的潛在應用。

人們已經研究了光子固化作為傳統熱退火技術在金屬氧化物薄膜製造中的替代方案。gaijishuliyongjiguanghuoshanguangdeng，chanshenggaonengliangdeguangmaichong，ranhoubeichenjizaiyanghuacengxiamiandejibanshangdebojinshuhuacengxishou。zhegejinshucengjiangxishoudeguangzizhuanhuaweijinggeshengzi，congerzhuanhuaweireneng
，zaichendidingbuyinqiduanzanderebaofa，yinfaqianqutizhuanhuaweirewendingdejinshuyanghuawu。zhexiemaichonghezhenggeguochengdejiduanxingzhixianzhujiangdilechendishangderefuhe，tongshiyesuoduanlezhengtizhizaoshijian。yixiechubanwuyijingzhanshileshiyongzhezhongjishudeyouxiwangdejieguo，boliheguichendishangdejingtiguanxingnengdadaoleyuretuihuoqijianxiangdangdezhi。然(ran)而(er)，關(guan)於(yu)在(zai)柔(rou)性(xing)塑(su)料(liao)基(ji)板(ban)上(shang)使(shi)用(yong)該(gai)技(ji)術(shu)的(de)研(yan)究(jiu)很(hen)少(shao)，這(zhe)促(cu)使(shi)了(le)該(gai)領(ling)域(yu)的(de)進(jin)一(yi)步(bu)研(yan)究(jiu)。以(yi)這(zhe)種(zhong)方(fang)式(shi)製(zhi)造(zao)柔(rou)性(xing)器(qi)件(jian)有(you)很(hen)強(qiang)的(de)動(dong)力(li)，因(yin)為(wei)它(ta)為(wei)替(ti)代(dai)製(zhi)造(zao)可(ke)能(neng)性(xing)開(kai)辟(pi)了(le)道(dao)路(lu)，例(li)如(ru)卷(juan)對(dui)卷(juan)製(zhi)造(zao)
，以(yi)更(geng)低(di)的(de)成(cheng)本(ben)和(he)高(gao)吞(tun)吐(tu)量(liang)挑(tiao)戰(zhan)傳(chuan)統(tong)的(de)基(ji)於(yu)晶(jing)圓(yuan)的(de)技(ji)術(shu)。此(ci)外(wai)

，這(zhe)些(xie)薄(bo)而(er)輕(qing)的(de)材(cai)料(liao)的(de)可(ke)彎(wan)曲(qu)性(xing)和(he)可(ke)折(zhe)疊(die)性(xing)可(ke)以(yi)擺(bai)脫(tuo)外(wai)形(xing)因(yin)素(su)的(de)限(xian)製(zhi)
，這(zhe)可(ke)能(neng)為(wei)消(xiao)費(fei)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)中(zhong)全(quan)新(xin)的(de)設(she)備(bei)和(he)應(ying)用(yong)鋪(pu)平(ping)道(dao)路(lu)。

用yong於yu光guang子zi固gu化hua的de光guang子zi誘you導dao轉zhuan換huan過guo程cheng本ben質zhi上shang是shi間jian接jie的de。來lai自zi短duan光guang爆bao發fa的de入ru射she光guang子zi被bei下xia麵mian的de金jin屬shu化hua層ceng吸xi收shou，金jin屬shu化hua層ceng隨sui後hou溫wen度du升sheng高gao，誘you導dao上shang麵mian的de前qian驅qu體ti層ceng發fa生sheng轉zhuan換huan。金jin屬shu內nei部bu溫wen度du演yan變bian的de程cheng度du取qu決jue於yu幾ji種zhong與yu材cai料liao相xiang關guan的de性xing質zhi，如ru氙xian閃shan光guang脈mai衝chong寬kuan光guang譜pu範fan圍wei內nei的de光guang學xue吸xi收shou、導熱係數、比熱容、聚(ju)變(bian)焓(han)或(huo)汽(qi)化(hua)焓(han)。考(kao)慮(lv)到(dao)所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)參(can)數(shu)，給(gei)定(ding)閃(shan)光(guang)能(neng)量(liang)的(de)金(jin)屬(shu)表(biao)麵(mian)上(shang)的(de)預(yu)期(qi)最(zui)高(gao)溫(wen)度(du)可(ke)能(neng)因(yin)金(jin)屬(shu)而(er)異(yi)。在(zai)作(zuo)者(zhe)最(zui)近(jin)使(shi)用(yong)數(shu)值(zhi)計(ji)算(suan)的(de)一(yi)項(xiang)研(yan)究(jiu)中(zhong)，發(fa)現(xian)Pt,Ti或Cr等金屬在氙閃光處理期間比Al或Au產(chan)生(sheng)更(geng)高(gao)的(de)溫(wen)度(du)，因(yin)為(wei)它(ta)們(men)具(ju)有(you)更(geng)有(you)利(li)的(de)材(cai)料(liao)特(te)性(xing)，使(shi)得(de)它(ta)們(men)更(geng)適(shi)合(he)光(guang)子(zi)固(gu)化(hua)過(guo)程(cheng)中(zhong)所(suo)需(xu)金(jin)屬(shu)化(hua)層(ceng)的(de)候(hou)選(xuan)材(cai)料(liao)。當(dang)使(shi)用(yong)鉻(ge)基(ji)層(ceng)時(shi)

，使(shi)用(yong)這(zhe)些(xie)材(cai)料(liao)中(zhong)的(de)每(mei)一(yi)種(zhong)進(jin)行(xing)測(ce)試(shi)都(dou)產(chan)生(sheng)了(le)最(zui)佳(jia)結(jie)果(guo)，然(ran)後(hou)將(jiang)其(qi)作(zuo)為(wei)進(jin)一(yi)步(bu)測(ce)試(shi)的(de)標(biao)準(zhun)。

在這裏，我們描述了由In(NO)₃前驅體在三種不同的襯底上沉積的高質量In₂O₃層，包括硼矽酸鹽玻璃，聚酰亞胺(PI)和聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，並研究了它們的表麵形貌和電子性能。將經典熱退火製備的薄膜與經過不同次數、持續時間為1.6ms 的光學閃光處理的In₂O₃層進行了比較。所得薄膜的表麵使用原子力顯微鏡(AFM)和X射線光電子能譜(XPS)進行表征。這使得探索襯底和後處理步驟對通過在環境空氣中光子燒結生長的這種技術上重要的金屬氧化物半導體的形貌、表biao麵mian化hua學xue和he電dian子zi結jie構gou的de影ying響xiang成cheng為wei可ke能neng。這zhe裏li提ti出chu的de結jie果guo表biao明ming
，這zhe種zhong薄bo膜mo和he合he成cheng路lu線xian修xiu改gai引yin起qi的de性xing質zhi發fa生sheng了le重zhong大da變bian化hua，證zheng明ming了le光guang子zi固gu化hua在zai柔rou性xing器qi件jian製zhi造zao方fang麵mian的de潛qian力li。

文獻中光子燒結部分：

在仔細選擇三種襯底並根據這些初始宏觀觀察優化光子固化參數後，可以在沒有任何開裂或分層的情況下製造In₂O₃薄膜。一旦實現了這一點，薄膜的表麵形態是用AFM 研究。圖1顯示了Cr和In₂O₃沉積在所有襯底上和經過不同處理步驟後的AFM圖像。圖2給出了所得到的均方根(RMS)粗糙度以及每個襯底材料上薄膜的高度分布的概述。鉻層的AFM 結果已表明在氧化薄膜下的襯底質量。如圖2所suo示shi，該gai鉻ge層ceng的de粗cu糙cao度du在zai兩liang種zhong聚ju合he物wu基ji板ban上shang是shi相xiang當dang的de，而er在zai玻bo璃li上shang略lve高gao。然ran而er
，這zhe種zhong差cha異yi不bu會hui在zai進jin一yi步bu的de工gong藝yi步bu驟zhou中zhong保bao留liu，並bing且qie在zai初chu始shi沉chen積ji和heIn₂O₃的低溫烘烤後，所有樣品的粗糙度都增加到相似的值。在接下來的退火步驟中，由於形貌和M-O-M網絡形成的變化，樣品通常表現出表麵粗糙度的降低。然而，在熱退火的PEN/PI樣品中沒有顯示出這種趨勢，在退火步驟後發現粗糙度增加，如圖1和2(a)和(d)所示。這可以歸因於熱處理非常接近 PEN 基板的加工上限，這可能會影響尺寸穩定性，從而也會影響形貌。另外，光子固化被證明可以成功地降低所有樣品的表麵粗糙度，20次和40次閃光顯示的 RMS 粗糙度值甚至低於熱退火樣品。這種扁平化效應也顯示在圖2的高度分布圖中，與烘烤和熱處理的薄膜相比，所有光子固化的In₂O₃的峰值更尖銳，寬度更小，高度分布向更低的值移動。在PEN/PI上發現熱退火膜的粗糙度明顯高於沉積時的粗糙度。經過40次閃光後，所有薄膜的粗糙度都特別低，為0.7nm或以下。這對於器件應用特別重要
，因為高表麵粗糙度值會對器件性能產生不利影響。

圖1：經過不同處理步驟後沉積在玻璃、PI和PEN/PI上的Cr層和In2O3薄膜的AFM 圖像(1x1μm2)。所有圖像均包含均方根(RMS)粗糙度值。

圖2：對不同處理步驟後沉積在玻璃、PI和PEN/PI上的Cr層和In2O3薄膜的AFM 測量結果進行分析
，包括(a) 均方根粗糙度和(b)-(d)高度分布。

結論：

這項工作展示了在三種不同的襯底上沉積In₂O₃bomodechenggongzhizao
，baokuoliangzhongrouxingdebojuhewu。huanchongcengdeshiyongbeizhengmingkeyichenggongdijianshaojinshucengshangdeyingbian，congeryunxushiyongyujuxianyaanxiangbinairexinggengdidejuhewu。光子固化被用作熱退火的替代方法，具有優異的表麵粗糙度和前驅體轉化率。通過 XPS 分(fen)析(xi)，顯(xian)示(shi)了(le)薄(bo)膜(mo)的(de)表(biao)麵(mian)化(hua)學(xue)和(he)電(dian)子(zi)結(jie)構(gou)之(zhi)間(jian)的(de)直(zhi)接(jie)關(guan)係(xi)
，這(zhe)反(fan)過(guo)來(lai)又(you)可(ke)以(yi)與(yu)工(gong)藝(yi)條(tiao)件(jian)相(xiang)關(guan)聯(lian)。所(suo)提(ti)出(chu)的(de)工(gong)作(zuo)清(qing)楚(chu)地(di)顯(xian)示(shi)了(le)表(biao)麵(mian)形(xing)貌(mao)和(he)化(hua)學(xue)之(zhi)間(jian)的(de)關(guan)係(xi)以(yi)及(ji)對(dui)In₂O₃光電器件應用至關重要的光子加工參數。

引用：