透明導電膜

楊明輝

學歷
清華大學物理學士
清華大學材料碩士
交通大學機械工程博士

現職
欣興電子股份有限公司　資深特助

專長
透明導電氧化物的材料
特性、成膜技術及薄膜
性質研究

二版序

本書第一版問世至今已有六年，這六年適逢行動電話與太陽電池等光電產業的蓬勃發展，透明導電膜的重要性有增無減，尤其是隨著手機用觸控面板的普及，ITO成為關鍵材料。這段期間筆者也離開研究機構前往業界，得以接觸產業上的實務及多種透明導電材料，因此在著手撰寫第二版時，盡量將這些實務上的知識與經驗收納進來，以補第一版之不足。

第二版仍以筆者較熟悉的透明導電氧化物(TCO)為主，增補了一些TCO方面的內容。然而，這幾年非TCO透明導電膜的發展也非常興盛，有些甚至可能即將商業化，因此也將這些材料納入。第一版提到的透明電子學，這幾年也已成為顯學，尤其是其中的TCO材料a-IGZO更是大放異彩。因為相關的文獻報告已經很多，所以這裡也只做簡單並且偏重應用面的介紹。

做為透明導電膜的入門，本書除了讓讀者了解TCO的基本知識之外，如果也能幫助讀者縮短未來進入相關產業後的學習時間，基本上便達到筆者設想的目標。在收集、整理資料的過程中，獲得不少過去與現在的同事、業界先進與友人的指導與慷慨協助，或提供資料，或解答疑惑，使本書得以順利完成，筆者在這裡也要表達真誠的感謝之意。

楊明輝
欣興電子
2012年9月16日

第一章　透明導電膜簡介
1.1 透明導電薄膜材料1
1.2 透明導電膜的應用2
1.3 透明導電膜的種類6

第二章　金屬氧化物透明導電膜的導電性質
2.1 與導電性質有關的量9
2.2 金屬導電性的Drude模型11
2.3 金屬與TCO的自由電子氣體14
2.4 TCO的載子來源與載子濃度16
2.5 摻雜物的電子能量19
2.6 載子對能帶結構的影響20
2.7 載子的散射機制與遷移率21
2.7.1　載子的散射機制21
2.7.2　晶格振動散射21
2.7.3　晶界散射22
2.7.4　摻雜物離子散射23
2.7.5　中性摻雜物散射26
2.8 非晶形透明導電材料27
2.9 TCO的電性表現28

第三章　金屬氧化物透明導電膜的光學性質
3.1 與光學性質有關的係數31
3.2 TCO為何透明？34
3.3 TCO的IR區光學性質37
3.3.1　Drude-Lorentz模型37
3.3.2　交流導電率與光學性質40
3.3.3　Drude-Lorentz模型在摻雜型半導體的修正44
3.3.4　TCO的電性與光學性質的關係45
3.4 TCO的UV區光學性質47
3.5 TCO薄膜的顏色50

第四章　n型透明導電膜材料
4.1 氧化銦53
4.1.1　材料特性53
4.1.2　材料結構53
4.1.3　薄膜性質57
4.2 氧化錫64
4.2.1　材料特性64
4.2.2　材料結構64
4.2.3　薄膜性質66
4.3 氧化鋅68
4.3.1　材料特性68
4.3.2　材料結構68
4.3.3　薄膜性質69
4.4 透明導電材料的性質比較與選用71
4.5 n型透明導電膜的新材料73

第五章　p型透明導電膜材料
5.1 p型TCO材料簡介75
5.2 Delafossite結構p型TCO76
5.3 非delafossite結構p型TCO79
5.4 p型ZnO81

第六章　透明導電膜的物理成膜法
6.1 濺鍍85
6.1.1　濺鍍技術簡介85
6.1.2　濺鍍條件對透明導電膜性質的影響92
6.1.3　脈衝磁控濺鍍103
6.2 真空蒸鍍107
6.3 電弧放電111
6.3.1　陽極電弧放電蒸鍍111
6.3.2　陰極電弧放電蒸鍍114
6.4 脈衝雷射蒸鍍117
6.5 塑膠基材上的TCO鍍膜118
6.5.1　對向靶濺鍍法120
6.5.2　RF磁控濺鍍120
6.5.3　粒子動能控制濺鍍123
6.5.4　捲繞式磁控濺鍍124
6.5.5　真空蒸鍍126
6.5.6　陽極電弧放電蒸鍍126
6.5.7　脈衝雷射蒸鍍127

第七章　透明導電膜的濕式化學成膜法
7.1 濕式化學成膜法簡介129
7.2 化學成膜材料的製備130
7.3 熱分解法131
7.4 浸沾法140
7.5 化學氣相沉積法142
7.6 加法式成膜技術142
7.7 塗佈光分解法143
7.8 電子電漿退火法144
7.9 電化學成膜145
7.10 原子層磊晶法146
7.11 奈米TCO微粒的成膜法149

第八章　透明導電膜的新發展
8.1 超低電阻透明導電材料151
8.2 開發新透明導電膜的嘗試153
8.3 透明薄膜二極體與電晶體156
8.4 多元透明導電材料及其組合161

第九章　透明導電膜的檢測
9.1 硬度165
9.2 附著程度166
9.3 厚度166
9.3.1　輪廓儀量測166
9.3.2　多重光束干涉法166
9.3.3　橢圓偏光儀167
9.3.4　斷面觀察167
9.4 導電性質167
9.4.1　片電阻及電阻率167
9.4.2　Hall效應量測167
9.5 光學性質168
9.5.1　薄膜穿透率與反射率168
9.5.2　折射係數168
9.5.3　霧度168
9.5.4　能隙168
9.5.5　顏色169
9.6 微結構169
9.6.1　材料鑑定與晶粒指向169
9.6.2　晶粒大小169
9.6.3　表面形態169
9.6.4　斷面形態169
9.6.5　表面粗糙度170
9.7 薄膜密度170
9.8 能帶結構170

第十章　非TCO透明導電膜材料
10.1 銀與銅171
10.1.1　奈米銀172
10.1.2　網格銀或銅172
10.1.3　銀與銅的透明導電膜產品172
10.1.4　銀銅透明導電膜的圖案化172
10.2 導電高分子174
10.3 石墨烯175
10.4 奈米碳管179

第十一章　光電產品中的透明導電膜
11.1 觸控面板用透明導電膜181
11.1.1　電阻式觸控面板181
11.1.2 表面電容式觸控面板187
11.1.3 投射電容式觸控面板189
11.2 太陽電池用透明導電膜197
11.2.1　概論197
11.2.2　氧化錫199
11.2.3　氧化鋅200
11.2.4　薄膜矽太陽電池用透明導電膜200
11.2.5　染料敏化太陽電池(DSSC)204
11.2.6　銅銦鎵硒(CIGS)太陽電池206
11.3 平面顯示器用透明導電膜207
11.3.1　新透明電極材料－IZO207
11.3.2　新薄膜電晶體材料－IGZO208
參考資料211