HiPIMS沉积超薄Ag层——柔性透明电极&94%透过率

点睛：

采用HiPIMS技术在PET上制备SiN/Ag/SiN多层结构，10nmAg层在37nmSiN上形成连续结晶膜（Ag(111)），实现550nm透过率94%、方阻9Ω/□、品质因子62.76×10⁻³Ω⁻¹。HiPIMS高离化率使Ag在低温下连续成膜，避免岛状生长，优于DCMS。

引言：

传统ITO透明电极因铟资源稀缺、脆性大、需高温加工，难以用于柔性电子。介质/金属/介质结构如SiN/Ag/SiN中，超薄Ag层需在热敏PET上连续、光滑沉积。HiPIMS具有高金属离化率，可在室温下实现致密、高附着力薄膜。能否通过HiPIMS优化Ag层厚度与SiN层厚度，制备出兼具高透光、高导电、高机械柔性的透明电极？

解析：

亚历山德鲁・伊万・库扎大学交叉学科研究所的Laura Hrostea等采用HiPIMS技术，以“Performance and stability optimization of SiN/Ag/SiN Transparent Electrodes Deposited by HiPIMS on PET substrates for Flexible Electronics”为题发表在《Surfaces and Interfaces》上，其工艺参数如下：

1）基体：PET薄膜；2）靶材：Si靶，Ag靶；3）工作气体：Ar，N₂，气压0.7Pa；4）电源参数：SiN层：脉宽5μs，频率200Hz，平均功率80W；Ag层：脉宽50μs，频率50-150Hz，峰值电流50-150A；5）沉积过程：靶基距8cm，室温，不破真空依次沉积SiN底、Ag、SiN顶；6）膜厚：SiN层15-60nm，Ag层5-15nm。

图1 单层SiN、SiN/Ag双层和SiN/Ag/SiN三层的透射光谱

图1比较了37 nm SiN单层、37 nm SiN/10 nm Ag双层和37 nm/10 nm/37 nm三层的透射率。单层SiN在550 nm处透过率约97%，近紫外区略有下降。双层结构在550 nm处透过率降至71.5%，且在340 nm附近出现干涉增强峰（83.3%）。三层结构的透过率显著提升，在550 nm处达94%，且在400-800 nm范围内均高于双层，甚至在460 nm处达99.4%。

图2 Ag层厚度对电学性能的影响

图2a显示，SiN厚度固定37nm，Ag从5nm增至10nm，方阻从31.7Ω/□骤降至9.0Ω/□，再增至15nm时降至4.5Ω/□。表明10nm为逾渗阈值，形成连续导电网络。图2d-e给出10nm Ag时载流子浓度5.21×10²¹ cm⁻³，霍尔迁移率15.54 cm²/Vs，电阻率7.70×10⁻⁵ Ω·cm为优。

图3 SiN₃₇/Ag₁₀/SiN₃₇的断面SEM图像

图3a显示SiN底层(37nm)和Ag层(10nm)连续、均匀，界面平整。图3b高倍可分辨各层厚度。Ag层在10nm仍保持无孔洞连续膜，归因于HiPIMS高能离子轰击促进Ag原子表面扩散，避免岛状生长。AFM补充显示：5nm Ag为孤立岛状，7.5nm蠕虫状，10nm完全闭合。

图4 SiN₃₇/Ag₁₀/SiN₃₇的掠入射XRD图谱

图4GIXRD显示2θ=38.2°处强峰为Ag(111)，另有(200)、(220)、(311)弱峰，表明Ag为多晶面心立方结构。PET衬底在22°和25°有宽峰。Ag(111)峰尖锐表明结晶良好，与高迁移率直接相关。HiPIMS离子能量促使低温下Ag仍结晶良好。

结论与延伸：

1. SiN₃₇/Ag₁₀/SiN₃₇透过率94%，方阻9Ω/□，品质因子62.76×10⁻³Ω⁻¹，优于多数ITO和DMD电极。

2. HiPIMS高离化率使10nm Ag连续结晶(Ag(111))，迁移率15.54 cm²/Vs，电阻率7.70×10⁻⁵Ω·cm；更薄Ag(5nm)为岛状，导电性差且不稳定。

论文DOI：10.1016/j.surfin.2025.108234