Тонкие плёнки и прозрачные проводники

Прозрачные проводящие покрытия — класс материалов, сочетающих оптическую прозрачность в видимой области спектра с электрической проводимостью. Тонкие плёнки на основе оксидов металлов (TCO — Transparent Conducting Oxides) занимают центральное место в производстве дисплеев, сенсорных панелей, солнечных элементов, обогреваемых стёкол и устройств защиты от электромагнитных помех. В данном материале рассматриваются физические принципы работы прозрачных проводников, составы и свойства основных плёночных материалов, промышленные методы их нанесения на различные подложки, а также области практического применения.

Физические основы прозрачной проводимости

Прозрачный проводник — это, как правило, широкозонный полупроводник n-типа. Сочетание прозрачности и проводимости обеспечивается двумя условиями. Во-первых, ширина запрещённой зоны материала должна превышать энергию фотонов видимого света (примерно 3,1 эВ для фиолетовой границы спектра). Во-вторых, концентрация свободных носителей заряда (электронов) должна быть достаточно высокой для обеспечения электропроводности, но не настолько большой, чтобы поглощение на свободных носителях существенно снизило пропускание в видимом диапазоне.

На практике прозрачные проводящие оксиды (TCO) представляют собой вырожденные полупроводники с шириной запрещённой зоны от 3,5 до 4,6 эВ и концентрацией электронов проводимости порядка 10¹⁹–10²¹ см⁻³. Высокая концентрация носителей достигается за счёт собственных дефектов кристаллической решётки (вакансий кислорода) и введения легирующих примесей. При этом оптическое пропускание качественных плёнок в видимом диапазоне составляет 80–90 %, а удельное сопротивление — от 10⁻⁴ до 10⁻² Ом·см.

Роль ширины запрещённой зоны

Ширина запрещённой зоны определяет границу оптической прозрачности. Материалы с E_g > 3,1 эВ не поглощают фотоны видимого света (длина волны 400–700 нм), поэтому тонкая плёнка выглядит прозрачной. Увеличение концентрации свободных носителей заряда при легировании приводит к эффекту Бурштейна — Мосса: видимый край поглощения сдвигается в коротковолновую область, что фактически расширяет оптическую запрещённую зону на 0,5–1 эВ.

С другой стороны, при высокой концентрации электронов появляется плазменное поглощение в ближней инфракрасной (ИК) области. Плазменная частота сдвигается в сторону видимого спектра с ростом концентрации носителей. Поэтому оптимизация прозрачного проводника всегда представляет собой компромисс между электропроводностью и оптическим пропусканием.

Основные материалы тонких плёнок прозрачных проводников

Для промышленного получения прозрачных проводящих покрытий используют несколько базовых оксидных систем. Выбор конкретного материала определяется требованиями к поверхностному сопротивлению, оптическому пропусканию, химической стойкости, стоимости и условиям технологического процесса.

Оксид индия-олова (ITO)

Оксид индия-олова (Indium Tin Oxide, ITO) — наиболее востребованный прозрачный проводящий материал. Представляет собой твёрдый раствор оксидов индия (III) и олова (IV) с типичным соотношением In₂O₃ : SnO₂ = 90 : 10 по массе. Атомы олова замещают индий в кристаллической решётке и выступают донорами электронов, что обеспечивает высокую электропроводность n-типа.

Ширина запрещённой зоны ITO составляет около 3,5–4,3 эВ (с учётом эффекта Бурштейна — Мосса в сильнолегированных плёнках). Удельное сопротивление высококачественных плёнок ITO находится в диапазоне 1·10⁻⁴–2·10⁻⁴ Ом·см при концентрации носителей порядка 10²⁰–10²¹ см⁻³ и подвижности электронов 20–80 см²/(В·с). В тонких слоях толщиной около 200 нм на стеклянной подложке при температуре осаждения порядка 300–400 °С достигается поверхностное сопротивление 6–15 Ом/□ при пропускании 85–90 % в видимом диапазоне.

ITO отражает инфракрасное излучение подобно металлическому зеркалу, что используется в теплозащитных покрытиях. Материал химически устойчив, хорошо поддаётся фотолитографическому структурированию в слабых кислотах. Основной недостаток — высокая стоимость индия, который является рассеянным элементом с содержанием в земной коре около 10⁻⁵ % и добывается преимущественно как побочный продукт производства цинка и свинца.

Параметр	Значение
Состав (In2O3 : SnO2)	90 : 10 масс.%
Ширина запрещённой зоны	3,5–4,3 эВ
Удельное сопротивление	1·10−4–2·10−4 Ом·см
Пропускание в видимом диапазоне	85–90 %
Поверхностное сопротивление (плёнка ~200 нм)	6–15 Ом/□
Подвижность электронов	20–80 см2/(В·с)
Тип проводимости	n-тип (вырожденный полупроводник)

Оксид олова, легированный фтором (FTO)

Плёнки SnO₂:F (Fluorine-doped Tin Oxide, FTO) представляют собой экономически доступную альтернативу ITO. Диоксид олова — широкозонный полупроводник n-типа с шириной запрещённой зоны 3,6–4,0 эВ. Легирование фтором увеличивает концентрацию и подвижность электронов примерно вдвое по сравнению с нелегированным SnO₂.

FTO-покрытия обладают более высокой химической стойкостью по сравнению с ITO, устойчивы к кислотным и щелочным средам, термически стабильны в кислородсодержащей атмосфере до высоких температур, а также механически более прочны. Эти качества делают FTO предпочтительным выбором для солнечных элементов и других устройств, работающих в жёстких условиях. Кроме того, олово значительно более доступно, чем индий, что снижает себестоимость покрытия.

Типичное поверхностное сопротивление плёнок FTO составляет 8–15 Ом/□, однако при этом оптическое пропускание обычно несколько ниже (78–85 %), чем у ITO. Удельное сопротивление лучших плёнок FTO — порядка 5·10⁻⁴ Ом·см.

Оксид цинка, легированный алюминием (AZO)

Плёнки ZnO:Al (Aluminum-doped Zinc Oxide, AZO) привлекают внимание как безиндиевая альтернатива ITO. Цинк и алюминий — распространённые и дешёвые элементы. Ширина запрещённой зоны ZnO составляет около 3,3–3,4 эВ, что достаточно для прозрачности в видимом диапазоне.

Удельное сопротивление плёнок AZO при оптимальных условиях осаждения достигает 2–5·10⁻⁴ Ом·см, что сопоставимо с ITO. Однако AZO уступает по химической стойкости — оксид цинка растворим в слабых кислотах и щелочах. Кроме того, электрические свойства плёнок AZO сильно зависят от влажности среды и температуры обработки, что ограничивает их применение в ряде устройств.

Помимо алюминия, для легирования ZnO применяют галлий (GZO — ZnO:Ga). Плёнки GZO также показывают низкое удельное сопротивление и используются в производстве плоских дисплеев и тонкоплёночных фотоэлементов.

Оксид олова, легированный сурьмой (ATO)

Плёнки SnO₂:Sb (Antimony-doped Tin Oxide, ATO) являются ещё одной альтернативой ITO. Сурьма вводит дополнительные донорные уровни в SnO₂, увеличивая проводимость. ATO-покрытия отличаются низкой токсичностью, химической стабильностью и возможностью нанесения при относительно невысоких температурах. Их удельное сопротивление при оптимальных условиях составляет порядка 5·10⁻³–10⁻² Ом·см, что выше, чем у ITO и FTO, — поэтому ATO применяют в задачах, где не требуется предельно низкое сопротивление (антистатические покрытия, газовые сенсоры).

Материал	Формула	Eg, эВ	Удельное сопротивление, Ом·см	Пропускание, %
ITO	In2O3:Sn	3,5–4,3	1·10−4–2·10−4	85–90
FTO	SnO2:F	3,6–4,0	5·10−4–10−3	78–85
AZO	ZnO:Al	3,3–3,4	2·10−4–5·10−4	80–90
ATO	SnO2:Sb	3,6–4,0	5·10−3–10−2	80–85
GZO	ZnO:Ga	3,3–3,4	2·10−4–8·10−4	80–88

Методы нанесения тонких проводящих плёнок

Свойства прозрачных проводящих покрытий в значительной мере определяются технологией осаждения. Основные промышленные методы получения тонких плёнок TCO — вакуумные физические методы (PVD), химические методы из газовой фазы (CVD) и растворные методы.

Магнетронное распыление

Магнетронное распыление (Magnetron Sputtering) — наиболее распространённый промышленный метод получения плёнок ITO. Процесс протекает в вакуумной камере при давлении 0,1–1 Па. Керамическая мишень состава In₂O₃–SnO₂ или мишень из сплава индия с оловом подвергается ионной бомбардировке в плазме аргона. Распылённые атомы осаждаются на подложку, формируя тонкую плёнку.

При реактивном магнетронном распылении металлической мишени в рабочий газ добавляют кислород. Контроль парциального давления кислорода критически важен для получения стехиометрических плёнок с оптимальными электрическими и оптическими характеристиками. Отклонение от оптимального содержания кислорода приводит либо к избыточной металличности (снижение прозрачности), либо к переокислению (рост удельного сопротивления).

Температура подложки при магнетронном распылении обычно составляет 200–400 °С. Для стеклянных подложек это приемлемо, однако для полимерных плёнок (полиэтилентерефталат, полиимид) требуется осаждение при комнатной температуре с последующим отжигом — например, импульсным лазерным — для улучшения кристалличности и проводимости без термического повреждения подложки.

Электронно-лучевое испарение

Метод основан на нагреве и испарении исходного материала сфокусированным пучком электронов в высоком вакууме (давление 10⁻³–10⁻² Па). Пар конденсируется на подложке. Метод позволяет получать плёнки с высокой однородностью толщины, но контроль стехиометрии сложнее, чем при магнетронном распылении, из-за различной летучести компонентов.

Импульсное лазерное осаждение (PLD)

При импульсном лазерном осаждении (Pulsed Laser Deposition) сфокусированный лазерный пучок испаряет материал мишени. Образующийся плазменный факел осаждается на подложку. PLD обеспечивает перенос стехиометрии мишени на плёнку, что является преимуществом для многокомпонентных систем. Метод используется преимущественно в лабораторных исследованиях и мелкосерийном производстве из-за ограничений по площади однородного осаждения.

Химическое осаждение из газовой фазы (CVD)

Метод CVD (Chemical Vapor Deposition) основан на химической реакции газообразных прекурсоров на поверхности нагретой подложки. Для получения плёнок SnO₂ используют, например, тетрахлорид олова или органические соединения олова. Метод позволяет покрывать подложки большой площади с высокой производительностью и широко применяется в стекольной промышленности для нанесения покрытий FTO на архитектурное и автомобильное стекло.

Разновидностью CVD является атомно-слоевое осаждение (ALD — Atomic Layer Deposition), при котором подача прекурсоров чередуется, что позволяет наращивать плёнку послойно с точностью до долей нанометра. ALD обеспечивает превосходный контроль толщины и однородности, но отличается низкой производительностью, что ограничивает его промышленное применение.

Спрей-пиролиз

Метод спрей-пиролиза (Spray Pyrolysis) заключается в распылении раствора прекурсоров на нагретую подложку (300–500 °С). Капли раствора испаряются, а компоненты вступают в термическую реакцию на поверхности подложки. Метод отличается простотой, низкой стоимостью оборудования и возможностью покрытия больших площадей. Применяется для получения плёнок FTO и ATO.

Золь-гель-технология

Золь-гель-метод предполагает нанесение раствора (золя) на подложку методом окунания (dip-coating) или центрифугирования (spin-coating) с последующей термообработкой. Метод не требует вакуумного оборудования, однако получаемые плёнки, как правило, имеют более высокое удельное сопротивление, чем плёнки, полученные магнетронным распылением, и нуждаются в высокотемпературном отжиге для кристаллизации.

Метод	Среда	Температура подложки	Основные достоинства	Ограничения
Магнетронное распыление	Вакуум	RT–400 °С	Высокое качество плёнок, контроль толщины	Дорогое оборудование, мишени
Электронно-лучевое испарение	Высокий вакуум	RT–350 °С	Однородность толщины	Сложный контроль стехиометрии
PLD	Вакуум	RT–500 °С	Сохранение стехиометрии мишени	Малая площадь осаждения
CVD	Атмосфера / низкий вакуум	300–600 °С	Большие площади, высокая производительность	Токсичные прекурсоры, высокая температура
Спрей-пиролиз	Атмосфера	300–500 °С	Простота, низкая стоимость	Неоднородность при больших площадях
Золь-гель	Атмосфера	Отжиг 400–600 °С	Без вакуумного оборудования	Повышенное сопротивление плёнок

Подложки для прозрачных проводящих покрытий

Выбор подложки во многом определяет как допустимую технологию нанесения, так и конечные свойства изделия. Основные типы подложек, используемых в промышленности, — стеклянные, полимерные и металлические.

Стеклянные подложки

Натриево-известковое (содовое) стекло — наиболее распространённый материал подложек для плёнок ITO и FTO. Толщина стекла обычно составляет 0,5–3 мм. Стекло выдерживает высокотемпературные процессы осаждения (до 400–600 °С), что позволяет получать хорошо кристаллизованные плёнки с низким удельным сопротивлением. Стекло с ITO-покрытием широко применяется в производстве жидкокристаллических дисплеев, сенсорных экранов и электрохромных устройств.

Для задач, где важна повышенная термостойкость или химическая чистота подложки, используют боросиликатное стекло или кварц.

Полимерные подложки

Гибкие полимерные подложки — полиэтилентерефталат (ПЭТ), полиимид, поликарбонат — необходимы для производства гибкой электроники, рулонных солнечных элементов, носимых устройств. Основная сложность — ограничение температуры обработки (как правило, не более 150–200 °С для ПЭТ, до 350 °С для полиимида). При осаждении тонких плёнок ITO на полимерную подложку при комнатной температуре получаются аморфные покрытия с повышенным удельным сопротивлением. Для улучшения проводимости применяют низкотемпературные методы постобработки — например, импульсный лазерный отжиг, при котором энергия лазерного пучка поглощается плёнкой и нагревает её до температуры кристаллизации без существенного нагрева подложки.

Металлическая фольга

Тонкая металлическая фольга (нержавеющая сталь, молибден, алюминий) используется в качестве подложки для гибких тонкоплёночных солнечных элементов. В частности, молибденовая фольга служит одновременно подложкой и тыльным контактом в элементах на основе CIGS. Металлические подложки выдерживают высокие температуры обработки, но непрозрачны, что ограничивает конфигурацию элемента (свет падает со стороны, противоположной подложке).

Тонкоплёночные солнечные элементы и роль прозрачных проводников

Прозрачные проводящие покрытия — неотъемлемый компонент тонкоплёночных солнечных элементов (ТСЭ), где они выполняют функцию лицевого электрода, пропускающего свет к поглощающему полупроводниковому слою. Основные типы ТСЭ различаются материалом поглощающего слоя: аморфный кремний (a-Si), теллурид кадмия (CdTe) и диселенид меди-индия-галлия (CIGS).

Солнечные элементы на основе CIGS

Селенид меди-индия-галлия CuIn_1−xGa_xSe₂ (CIGS) — четверной полупроводниковый материал с халькопиритной структурой и прямой запрещённой зоной, ширина которой варьируется от 1,0 эВ (чистый CuInSe₂, x = 0) до 1,7 эВ (CuGaSe₂, x = 1) в зависимости от соотношения индия и галлия. Оптимальный состав для максимального КПД — CuIn_0,7Ga_0,3Se₂ с шириной запрещённой зоны около 1,15 эВ, обеспечивающей эффективное поглощение солнечного излучения.

Типичная архитектура ТСЭ на основе CIGS включает следующие слои (от подложки к свету):

Слой	Материал	Толщина	Функция
Подложка	Натриево-известковое стекло, полиимид, стальная фольга	1–3 мм (стекло)	Механическая основа
Тыльный контакт	Молибден (Mo)	0,5–1 мкм	Электрический контакт, отражение неабсорбированного света
Поглощающий слой	CIGS	1,5–2,5 мкм	Генерация фотоносителей (p-тип)
Буферный слой	CdS или безкадмиевые альтернативы (Zn(O,S), In2S3)	30–70 нм	Формирование p-n-перехода
Оконный слой	i-ZnO (нелегированный оксид цинка)	50–100 нм	Высокоомный буфер
Лицевой электрод	ITO, AZO или FTO	200–500 нм	Прозрачный проводящий контакт
Антиотражающее покрытие	MgF2 или SiO2	100 нм	Снижение потерь на отражение

Поглощающий слой CIGS формируют методами совместного термического испарения элементов (Cu, In, Ga, Se) в вакууме или последовательного напыления металлических слоёв с последующей селенизацией в парах селена. Молибденовый тыльный контакт выполняет двойную функцию: обеспечивает омический контакт к CIGS и отражает неабсорбированный свет обратно в поглощающий слой, повышая эффективность элемента.

Лабораторный КПД элементов CIGS превышает 23 %, промышленные модули достигают 16–19 %. Гибкие элементы CIGS на полиимидных и стальных подложках находят применение для интеграции в строительные конструкции, криволинейные поверхности транспортных средств и портативные энергосистемы.

Солнечные элементы на основе аморфного кремния

Тонкоплёночные элементы из гидрогенизированного аморфного кремния (a-Si:H) изготавливают осаждением силана (SiH₄) в плазме тлеющего разряда при температурах 200–300 °С. Водород (содержание 5–20 ат.%) пассивирует оборванные связи в аморфной структуре, придавая материалу полупроводниковые свойства. Прозрачный проводящий электрод (обычно FTO или ITO на стеклянной подложке) является первым слоем, на который осаждается a-Si:H.

КПД одиночных элементов a-Si:H составляет 6–10 %, многопереходные (тандемные) структуры с использованием микрокристаллического кремния достигают 12–14 %. Низкая температура процесса и возможность работы с подложками большой площади делают технологию экономически привлекательной, несмотря на невысокую эффективность.

Солнечные элементы на основе CdTe

Теллурид кадмия (CdTe) — полупроводник с прямой запрещённой зоной 1,45 эВ, близкой к оптимальной для однопереходного солнечного элемента. Структура ТСЭ на базе CdTe включает стеклянную подложку с покрытием FTO (или ITO), буферный слой CdS и поглощающий слой CdTe толщиной 2–8 мкм. Лабораторный КПД превышает 22 %, промышленные модули достигают 18–19 %.

Применение прозрачных проводящих покрытий в электронике

Помимо солнечной энергетики, тонкие плёнки прозрачных проводников находят применение в широком спектре отраслей современной электроники и техники.

Дисплеи и сенсорные экраны

Прозрачные электроды ITO — стандартный элемент конструкции жидкокристаллических (ЖК) дисплеев, органических светодиодных (OLED) панелей и ёмкостных сенсорных экранов. В ЖК-дисплеях две стеклянные пластины с ITO-электродами формируют ячейку, в которой электрическое поле управляет ориентацией жидких кристаллов и, соответственно, пропусканием света. В OLED-устройствах ITO-анод обеспечивает инжекцию дырок в органический излучающий слой.

Для ёмкостных сенсорных экранов ITO-покрытие наносят на стеклянную или полимерную подложку и структурируют методами фотолитографии с формированием электродной сетки. Поверхностное сопротивление покрытий для сенсорных экранов обычно составляет 100–500 Ом/□, для дисплеев — 10–50 Ом/□.

Обогреваемые стёкла и антиобледенительные системы

При пропускании электрического тока через тонкую проводящую плёнку она равномерно нагревается (джоулев нагрев). Стёкла с ITO-покрытием применяют в смотровых окнах промышленного оборудования, остеклении кабин и кокпитов, подогреваемых дисплеях для эксплуатации при отрицательных температурах. Прозрачность покрытия сохраняется при этом на уровне 80–90 %.

Экранирование электромагнитного излучения

ITO-покрытия на стекле обеспечивают экранирование электромагнитных помех (ЭМП) при сохранении оптической прозрачности. Эффективность экранирования зависит от поверхностного сопротивления покрытия: чем ниже сопротивление, тем выше степень ослабления ЭМП. Такие стёкла используют в защитных экранах приборных панелей, экранированных помещениях и медицинской технике.

Антистатические покрытия

Для предотвращения накопления статического электрического заряда на поверхности стекла или полимера достаточно нанесения тонкой проводящей плёнки с поверхностным сопротивлением до 10³–10⁵ Ом/□. Антистатические покрытия на основе ITO или ATO применяют в оптических приборах, чистых помещениях, упаковке электронных компонентов.

Электрохромные устройства и «умные» стёкла

Электрохромные стёкла меняют степень светопропускания под действием приложенного напряжения. Конструкция включает два прозрачных электрода (ITO или FTO), между которыми расположен электрохромный слой (WO₃, NiO или органические полимеры), ионопроводящий электролит и ионозапасающий слой. Прозрачные проводящие покрытия обеспечивают равномерное распределение электрического поля по всей площади устройства.

Технологические требования к плёнкам для различных применений

В зависимости от области применения к прозрачным проводящим покрытиям предъявляют различные требования по поверхностному сопротивлению, пропусканию, адгезии, химической стойкости и механической прочности.

Область применения	Поверхностное сопротивление, Ом/□	Пропускание, %	Предпочтительный материал
ЖК-дисплеи	10–30	> 85	ITO
OLED-панели	10–20	> 85	ITO
Сенсорные экраны	100–500	> 85	ITO
Тонкоплёночные солнечные элементы	5–20	> 80	ITO, FTO, AZO
Обогреваемые стёкла	5–50	> 80	ITO, FTO
Экранирование ЭМП	< 10	> 75	ITO
Антистатические покрытия	103–105	> 85	ITO, ATO
Электрохромные устройства	10–30	> 80	ITO, FTO

Контроль качества тонких проводящих плёнок

На производстве прозрачные проводящие покрытия подвергаются ряду контрольных измерений, от которых зависит пригодность изделия к дальнейшему использованию.

Измерение поверхностного сопротивления

Поверхностное сопротивление (R_s, Ом/□ или Ом/квадрат) — ключевой параметр прозрачных проводников. Измерение выполняют четырёхзондовым методом: через два внешних зонда пропускают ток, а на двух внутренних измеряют падение напряжения. Для тонких плёнок на подложках большой площади применяют бесконтактные вихретоковые методы.

Оптическое пропускание и отражение

Спектральное пропускание измеряют на спектрофотометре в диапазоне 300–2500 нм. Для визуальной прозрачности интегральное пропускание оценивают в диапазоне 380–780 нм. Дополнительно контролируют отражение — для солнечных элементов важно минимальное отражение от лицевого электрода.

Адгезия покрытия к подложке

Адгезию проверяют методом решётчатого надреза (cross-cut test) по стандарту ISO 2409 или аналогичным. Покрытие надрезают сеткой, наклеивают клейкую ленту и оценивают площадь отслоившегося материала. Для ответственных применений (авиация, медицинская техника) требования к адгезии более жёсткие.

Шероховатость поверхности

Среднеквадратичная шероховатость (RMS) плёнки важна для устройств, где на проводящий слой наносят тонкие органические плёнки — в частности, для OLED. Шероховатость ITO должна составлять менее 1–2 нм RMS во избежание короткого замыкания через органические слои. Контроль осуществляют методами атомно-силовой микроскопии (АСМ).

Формы поставки материалов для прозрачных проводящих покрытий

Предприятия, работающие с прозрачными проводящими покрытиями, закупают исходные материалы в нескольких формах, определяемых конкретной технологией нанесения.

Мишени для магнетронного распыления

Распылительные мишени (спаттер-таргеты) — прессованные или спечённые керамические пластины состава In₂O₃–SnO₂ (для ITO), SnO₂ (для FTO) или ZnO–Al₂O₃ (для AZO). Плотность мишени должна составлять не менее 95–99 % от теоретической для обеспечения стабильности процесса распыления и однородности плёнки. Стандартные формы — круглые диски или прямоугольные пластины; размеры и геометрия определяются конструкцией магнетрона.

Порошки и гранулы

Порошки оксидов (In₂O₃, SnO₂, ZnO) различной чистоты и дисперсности используют для изготовления мишеней, а также в качестве исходного сырья для золь-гель-процессов и спрей-пиролиза. Гранулы (таблетки) применяют для электронно-лучевого испарения.

Растворы прекурсоров

Для CVD и спрей-пиролиза используют растворы солей металлов — хлориды, ацетилацетонаты, алкоксиды. Металлорганические соединения (например, триметилиндий, диэтилцинк) применяют в процессах MOCVD.

Готовые подложки с покрытием

Стекло и полимерные плёнки с уже нанесённым ITO- или FTO-покрытием — готовый полуфабрикат для производителей дисплеев, солнечных элементов, электрохромных устройств. Поставляются в виде листов или рулонов (для полимерных подложек) с нормированным поверхностным сопротивлением.

Перспективные материалы и направления развития

Высокая стоимость индия и ограниченность его запасов стимулируют поиск альтернативных прозрачных проводников. Помимо уже рассмотренных FTO и AZO, активно исследуются следующие направления.

Углеродные нанотрубки и графен

Тонкие плёнки из углеродных нанотрубок (УНТ) и графена обладают гибкостью, химической стабильностью и потенциально низкой стоимостью. Плёнки из УНТ можно осаждать на гибкие подложки без высокотемпературных процессов. Однако по сочетанию поверхностного сопротивления и пропускания они пока уступают ITO. Кроме того, плёнки УНТ можно легировать примесями p-типа, что делает их перспективными для анодов OLED-устройств. Графеновые плёнки, полученные методом CVD, демонстрируют сопоставимые с ITO параметры в лабораторных условиях, но масштабирование технологии остаётся нерешённой задачей.

Серебряные нанопроволоки

Сетки из серебряных нанопроволок (Ag NW) на прозрачной подложке обеспечивают высокую проводимость при сохранении прозрачности. Технология нанесения (нанесение из суспензии) совместима с рулонными процессами и не требует вакуумного оборудования. Основные проблемы — высокая шероховатость и ограниченная химическая стабильность серебра (окисление, сульфидирование).

Проводящие полимеры

Проводящий полимер PEDOT:PSS (поли-3,4-этилендиокситиофен, допированный полистиролсульфонатом) наносится из водного раствора и может заменять ITO в ряде применений. Проводимость плёнок PEDOT:PSS значительно ниже, чем у ITO, однако гибкость и совместимость с рулонной печатной технологией делают его привлекательным для гибкой электроники.

Техника безопасности при работе с материалами для прозрачных покрытий

При работе с исходными материалами для получения прозрачных проводящих плёнок необходимо учитывать их токсикологические свойства.

Индий и его соединения при вдыхании пыли и аэрозолей накапливаются в лёгких, слюнных железах, селезёнке, печени и почках. Соединения индия отнесены к веществам 2-го класса опасности. Олово и его неорганические соединения менее токсичны (класс опасности 3–4 в зависимости от формы), однако мелкодисперсная пыль оксида олова при длительном вдыхании вызывает станноз — доброкачественный пневмокониоз. Соединения кадмия (используемые в буферных слоях CdS и поглощающих слоях CdTe) относятся к 1-му классу опасности и требуют особых мер защиты.

Селен и его соединения (используемые в CIGS) — 3-й класс опасности; при вдыхании поражают органы дыхания и печень. Галлий вызывает химические ожоги кожи и повреждение слизистых оболочек глаз.

Производственные помещения, где проводится напыление или обработка указанных материалов, должны быть оснащены приточно-вытяжной вентиляцией с системой очистки отходящего воздуха. Работники обеспечиваются средствами индивидуальной защиты органов дыхания, глаз и кожных покровов в соответствии с действующими нормативными документами.

Критерии выбора прозрачного проводника для конкретной задачи

Выбор материала и технологии нанесения прозрачного проводящего покрытия определяется комплексом факторов. Ниже перечислены основные критерии, которые технолог и инженер-конструктор должны учитывать при проектировании изделия.

Требуемое поверхностное сопротивление и оптическое пропускание задаются техническим заданием на устройство. Для дисплеев и солнечных элементов необходимы низкие значения R_s (< 20 Ом/□) и высокое пропускание (> 85 %), что достижимо преимущественно с ITO. Для антистатических покрытий допустимы более высокие значения R_s, и можно использовать ATO.

Тип подложки определяет предельную температуру процесса. Стеклянные подложки допускают температуру до 600 °С, полимерные — как правило, не более 150–350 °С в зависимости от материала.

Химическая среда эксплуатации: если покрытие будет контактировать с кислотами, щелочами или влагой, предпочтительны FTO или SnO₂-покрытия, обладающие наибольшей химической стойкостью.

Стоимость и доступность материалов: при массовом производстве замена дорогого ITO на FTO или AZO может значительно снизить себестоимость изделия при сопоставимых (хотя и несколько худших) характеристиках.

Механическая гибкость: для устройств, подвергающихся изгибу, керамические плёнки TCO (в том числе ITO) склонны к растрескиванию. В этом случае рассматривают плёнки из углеродных нанотрубок, серебряных нанопроволок или проводящих полимеров.