随着柔性光电器件的快速发展，传统ITO(氧化铟锡)透明导电薄膜因其本征脆性和波段局限性，难以满足下一代柔性电子产品对短波红外波段的应用需求。金(Au)因其优异的延展性和导电性能成为理想的替代材料。Flexfilm费曼仪器全光谱椭偏仪可以非接触对薄膜的厚度与折射率的高精度表征，广泛应用于薄膜材料、半导体和表面科学等领域。

本文系统研究了在0.4μm~2.5μm波段范围内极薄金薄膜的透明导电性能。首先采用电阻热蒸发技术制备不同厚度单层金薄膜，通过椭偏仪测试光学常数，并将计算透过率与实测值进行比对，验证了测试方法的可靠性。针对单层金属薄膜难以兼顾高透过率与高导电性的问题，系统研究了AZO、Cu、Cr三种浸润层对金薄膜光电性能的影响，为宽波段柔性透明导电薄膜的制备提供了有价值的参考。

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极薄金薄膜光学特性研究

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氧化铟锡（ITO）薄膜和研究方案图例

金属薄膜的光学特性基础

金属薄膜的光学常数(折射率n和消光系数k)由其本征特性和微观结构共同决定，且随厚度变化。在极薄状态下，薄膜呈岛状结构，颗粒分布不均，导致其n、k值与连续膜差异显著。薄膜的导电性用方阻表征，随着厚度增加，薄膜从岛状转变为层状，电导率增大，方阻降低。

极薄金薄膜的制备与光学常数测定

采用电阻热蒸发法在洁净的K9玻璃和硅片上同步沉积厚度为5nm、8nm、11nm、15nm、20nm的单层金薄膜，沉积速率0.4Å/s，本底真空度优于3.0×10⁻³Pa。

使用Flexfilm费曼仪器全光谱椭偏仪，配合Lorentz色散模型，对硅基底上的金薄膜进行光学常数拟合。结果显示薄膜厚度对光学常数影响显著：8nm金膜的n、k值在短波区波动较大，这是岛状结构导致的色散和等离子体共振吸收所致；20nm金膜的n、k值曲线随波长变化更为平缓，趋势上更接近块状金的参考值，表明薄膜已趋于连续。随着厚度增加，折射率总体降低并向块体值靠近，消光系数则增大并向块体值靠近。

透过率验证与形貌表征

将Flexfilm椭偏仪测得的各厚度金膜光学常数导入TFC膜系设计软件计算理论透过率，同时使用分光光度计实测玻璃基底上对应厚度金膜的透过率。两者对比吻合良好，验证了椭偏仪所测光学常数的可靠性。

实测结果表明，单层金膜透过率随厚度增加而降低：5nm金膜在550nm处透过率可达70%，但直至厚度达11nm时才具备导电性，而此时透过率已大幅下降至20%以下，凸显了单层金膜难以兼顾高透与高导的矛盾。

SEM图像直观揭示了这一现象：8 nm和11 nm薄膜呈现明显的岛状结构，空隙多；15 nm开始出现连接；20 nm时形成较为连续但仍有空隙的薄膜，微观形貌变化与光电性能变化完全吻合。

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含有浸润层的极薄金薄膜制备与表征

浸润层的作用原理

根据薄膜生长的杨氏方程，引入合适的浸润层可以改变基底与金属膜层之间的界面能，降低金属原子的扩散势垒，提供更多成核位点，从而促进金属薄膜从"岛状生长"向"层状生长"模式转变，有效降低连续成膜的临界厚度。本章通过品质因子(FOM=T¹⁰/Rₓ)综合评估薄膜的光电性能。

浸润层材料的探索与筛选

AZO浸润层

采用磁控溅射法在K9玻璃上沉积AZO薄膜，并在此基础上热蒸发6nm金膜。首先研究氧气流量的影响，结果表明不通入氧气时沉积的AZO浸润层，其上的金薄膜表现出更好的导电性和更高的透过率。其次固定无氧条件，研究AZO厚度(10-130nm)的影响。

结果显示，加入AZO浸润层后，所有样品的6nm金膜均表现出导电性，远优于单层金膜(11nm才导电)，证实了浸润层降低临界厚度的作用。透过率方面，随着AZO厚度增加，整体透过率呈下降趋势。综合评估，当AZO厚度为50 nm时性能最佳：在整个400-2500nm波段平均透过率保持在50%以上，方阻40Ω/□。

金属浸润层(Cu和Cr)

Cu浸润层：采用热蒸发法在K9玻璃上沉积不同厚度和速率的Cu层，再沉积6 nm Au膜。研究发现，Cu层沉积速率对薄膜性能有影响，在3 nm Cu层上沉积速率为0.22 nm/s时品质因子最高。优化Cu层厚度发现，Cu层越厚方阻越低(6 nm Cu时方阻低至27Ω)，但透过率显著下降，尤其在近红外波段。K9 / 5 nm Cu / 6 nm Au组合方阻30Ω/□，但在700nm后透过率持续下降，短波红外仅20%左右，未满足全波段透过率要求。

Cr浸润层：尝试Cr作为浸润层，虽然加入后6 nm金膜具备导电性，但Cr熔点高，热蒸发沉积困难，膜层不均匀，对光电性能提升有限，主要起粘附层作用，未作为优选。

浸润层的最终选择

对比三种浸润层的最优结果，K9 / 50 nm AZO / 6 nm Au组合的FOM值远高于其他两者，且透过率在整个目标波段内稳定达标。因此，最终选定该结构为最优膜层组合。

金薄膜厚度优化

在确定50 nm AZO为最优浸润层后，进一步优化其上金薄膜的厚度(4 nm、6 nm、8 nm、11 nm)。结果表明，金膜厚度4 nm时透过率最高但方阻偏大；厚度增至8 nm和11 nm时方阻进一步降低，但透过率已无法满足指标。只有当金膜厚度为6 nm时，才能同时满足平均透过率>50%和方阻<100Ω/□的技术要求。最终确定的极薄金透明导电薄膜结构为：K9 / 50 nm AZO / 6 nm Au。

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极薄金透明导电薄膜的退火处理

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退火实验设计

为了进一步提升K9 / 50 nm AZO / 6 nm Au薄膜的光电性能，对其进行真空退火处理。将五片相同条件下制备的样品分别在100°C、150°C、200°C、250°C和300°C下退火30分钟，冷却后测试透过率和方阻变化。

退火结果与分析

与未退火样品相比，退火后薄膜性能发生规律性变化。随着退火温度升高，透过率总体呈现逐渐降低趋势，但100°C和150°C退火的样品透过率曲线与未退火样品最为接近。从方阻变化来看，100°C退火后，薄膜方阻从40Ω/□降低至约30Ω/□，下降了10Ω/□，导电性得到改善。当退火温度升至150°C及以上时，方阻开始回升，250°C和300°C退火后方阻显著增大，薄膜性能恶化。

分析认为，适当的低温退火(如100°C)有助于释放薄膜内应力、减少晶体缺陷、促进晶粒适度长大，从而减少载流子散射，提高导电性，同时对透过率影响较小。而过高的退火温度可能导致薄膜团聚、晶粒异常长大、层间扩散加剧，破坏薄膜的连续性和均匀性，导致性能下降。因此，100 °C是最佳退火温度。

本研究通过系统实验得出以下结论：首先，采用Flexfilm全光谱椭偏仪成功测定了不同厚度（5~20 nm）极薄金薄膜的光学常数，证实其折射率（n）和消光系数（k）与厚度强相关，并随厚度增加逐渐趋近于块状金的光学常数；将所测数据导入TFC软件反演计算的透过率与分光光度计实测值高度吻合，验证了光学常数测试的可靠性，结合SEM图像从微观形貌上阐明了薄膜从岛状生长向层状生长转变对光电性能的影响规律。其次，针对单层金薄膜难以兼顾高透过率与高导电性的难题，引入浸润层有效降低了金薄膜的临界厚度。对比AZO、Cu、Cr三种浸润层的光电性能，发现AZO效果最佳，优化后确定的膜层结构为K9玻璃基底 / 50 nm AZO / 6 nm Au，在0.4~2.5 μm宽波段范围内平均透过率达到50%以上，方阻为40 Ω/□，全面满足课题技术指标。最后，对最优膜系进行真空退火处理，发现100 ℃为最佳退火温度，退火30 min后薄膜方阻降低10 Ω/□，而透过率基本保持不变，表明适当的热处理可进一步优化薄膜的综合性能。

Flexfilm费曼仪器全光谱椭偏仪

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Flexfilm费曼仪器全光谱椭偏仪拥有高灵敏度探测单元和光谱椭偏仪分析软件，专门用于测量和分析光伏领域中单层或多层纳米薄膜的层构参数（如厚度）和物理参数（如折射率n、消光系数k）

• 先进的旋转补偿器测量技术：无测量死角问题。
• 粗糙绒面纳米薄膜的高灵敏测量：先进的光能量增强技术，高信噪比的探测技术。
• 秒级的全光谱测量速度：全光谱测量典型5-10秒。
• 原子层量级的检测灵敏度：测量精度可达0.05nm。

Flexfilm费曼仪器全光谱椭偏仪能非破坏、非接触地原位精确测量超薄图案化薄膜的厚度、折射率,结合费曼仪器全流程薄膜测量技术，助力半导体薄膜材料领域的高质量发展。

原文参考：《极薄金薄膜制备及其透明导电特性研究》

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