薄膜沉積 | 涂層方法比較

薄膜可以通過多種涂層方法制備，包括蒸發(fā)技術(shù)和溶液處理法。溶液處理技術(shù)將溶液均勻涂覆在基底上，干燥后形成薄膜。均勻可靠的薄膜沉積對(duì)于太陽(yáng)能電池、有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）和其他半導(dǎo)體器件的開發(fā)與制造至關(guān)重要。由于可用的薄膜沉積方法多種多樣，某些工藝更適合特定應(yīng)用。溶液處理法因其可擴(kuò)展性潛力而特別具有吸引力。

選擇適合的涂層方法

從小規(guī)模研究到大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)，您需要綜合考慮小規(guī)模和大規(guī)模應(yīng)用來比較每種薄膜涂層方法。這有助于您為當(dāng)前需求做出正確選擇，同時(shí)了解未來擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模的選擇。選擇合適的涂層方法對(duì)于生產(chǎn)高質(zhì)量薄膜器件至關(guān)重要。

雖然旋涂適用于小規(guī)模實(shí)驗(yàn)室研究，但成功的薄膜最終需要與卷對(duì)卷（R2R）兼容的方法。狹縫擠壓涂布和噴涂可作為中間技術(shù)，類似于R2R方法，但適用于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模操作。

了解薄膜的干燥過程也很重要。可以通過控制多個(gè)因素來優(yōu)化最終干膜的形態(tài)。

薄膜沉積方法

有許多不同的薄膜沉積技術(shù)用于生產(chǎn)高質(zhì)量薄膜。每種技術(shù)都有其優(yōu)勢(shì)、缺點(diǎn)和挑戰(zhàn)，以及確保均勻涂層的關(guān)鍵參數(shù)和理想應(yīng)用。了解不同沉積技術(shù)之間的差異對(duì)于選擇適合實(shí)驗(yàn)需求的涂層方法至關(guān)重要。同時(shí)，考慮所選技術(shù)的可擴(kuò)展性及其與大規(guī)模制造的兼容性也很重要。

旋涂

在旋涂中，將溶液沉積在基底上，然后高速旋轉(zhuǎn)。離心力、粘性阻力和表面張力的共同作用使溶液均勻分布在基底上。薄膜厚度由旋轉(zhuǎn)速度決定。

優(yōu)點(diǎn)：

方法簡(jiǎn)單，幾乎不需要培訓(xùn)

可創(chuàng)建厚度從納米到微米的均勻薄膜

干燥時(shí)間通常最快

成本效益的小批量或單個(gè)薄膜制備方法

缺點(diǎn)：

僅限于小基底的批量處理，不適合大規(guī)模生產(chǎn)

旋轉(zhuǎn)過程導(dǎo)致高浪費(fèi)率

難以制備具有彎曲或柔性基底或梯度厚度的復(fù)雜薄膜

浸涂

在浸涂中，將基底浸入涂層溶液中，當(dāng)取出時(shí)，在基底上形成液體層。溶液在浸入時(shí)潤(rùn)濕薄膜，在取出時(shí)通過溶劑蒸發(fā)干燥。

優(yōu)點(diǎn)：

經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、簡(jiǎn)單且易于適應(yīng)不同需求

可涂覆基底的兩面，兼容平面或管狀基底

可在各種基底上實(shí)現(xiàn)納米級(jí)表面粗糙度的非常均勻的涂層

缺點(diǎn)：

溶液使用量大，導(dǎo)致高浪費(fèi)

濕膜在干燥階段易受環(huán)境因素影響

可能需要后沉積熱處理，增加成本并降低可擴(kuò)展性

狹縫涂布

在狹縫擠壓涂布中，溶液直接涂覆在基底上。溶液以確定的速度通過"頭"流動(dòng)，同時(shí)基底相對(duì)于頭移動(dòng)。

優(yōu)點(diǎn)：

可生產(chǎn)均勻薄膜，溶液浪費(fèi)少

適用于剛性和柔性基底

易于擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)高涂布速度

可用于卷對(duì)卷加工

缺點(diǎn)：

工藝復(fù)雜，需要優(yōu)化多個(gè)參數(shù)

初始成本高

缺陷來源難以診斷

每次使用后需要大量清潔

刮刀涂布

刮刀涂布（或刀片涂布）涉及在基底上運(yùn)行刀片以將溶液均勻地鋪展在其表面上。

優(yōu)點(diǎn)：

技術(shù)簡(jiǎn)單，設(shè)置成本低

溶液浪費(fèi)較少

適用于各種粘度溶液和剛性和柔性基底

可擴(kuò)展，適用于工業(yè)規(guī)模薄膜制備

缺點(diǎn)：

不如旋涂等方法精確

通常無法創(chuàng)建厚度低于10微米的薄膜

濕層薄膜厚度重現(xiàn)性差

棒涂

棒涂與刮刀涂布非常相似；溶液通過纏繞有螺旋線的圓柱棒鋪展在基底上。

優(yōu)點(diǎn)：

經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且易于使用

可涂覆大面積剛性和柔性基底

干燥時(shí)間可良好控制

易于適應(yīng)和優(yōu)化

缺點(diǎn)：

薄膜厚度受限于線的直徑

無法實(shí)現(xiàn)圖案或梯度

涂布速度慢

噴涂

噴涂是研究和工業(yè)中使用的替代沉積技術(shù)。在這種方法中，涂層溶液被加壓氣體流分解，然后以細(xì)小的液滴連續(xù)流動(dòng)形式分配。

優(yōu)點(diǎn)：

快速沉積薄膜的方法

易于實(shí)現(xiàn)多層涂布

可涂覆大面積基底和具有不平或彎曲表面的基底

缺點(diǎn)：

難以圖案化

無法實(shí)現(xiàn)與其他技術(shù)相同的薄膜均勻性

更難控制薄膜厚度

系統(tǒng)安裝成本高

旋涂與狹縫涂布比較

旋涂和狹縫擠壓涂布都是常見且流行的技術(shù)，但它們有不同的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)。

生產(chǎn)均勻薄膜：

使用旋涂機(jī)更容易生產(chǎn)均勻薄膜

狹縫擠壓涂布需要優(yōu)化多個(gè)參數(shù)，通常是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程

涂布區(qū)域大小和可擴(kuò)展性：

旋涂適用于研發(fā)應(yīng)用以生產(chǎn)小型單個(gè)薄膜

狹縫擠壓涂布可涂覆大面積，兼容連續(xù)涂布方法

浪費(fèi)：

旋涂中約90%的溶液被丟棄

狹縫擠壓涂布中溶液浪費(fèi)極少

干燥薄膜

涂層過程中的一個(gè)重要方面是干燥階段。干燥方式會(huì)顯著影響涂層的形態(tài)和后續(xù)性能，特別是在OLED、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池或有機(jī)太陽(yáng)能電池等器件中。

蒸發(fā)理論

薄膜形成過程受蒸發(fā)影響很大。蒸發(fā)發(fā)生在液體-蒸汽邊界，當(dāng)蒸汽壓力低于液體壓力時(shí)。對(duì)于濕膜處理，是溶劑蒸發(fā)。隨著溶劑蒸發(fā)，濕涂層中的固體材料變得更加濃縮，直到形成最終的干膜。

旋涂中的蒸發(fā)

在旋涂中，蒸發(fā)和干燥是涂層過程的關(guān)鍵部分。它直接受溶劑性質(zhì)和旋轉(zhuǎn)速度的影響。一般來說，旋涂濕膜的蒸發(fā)速率高于狹縫擠壓涂布濕膜。

狹縫擠壓涂布薄膜的蒸發(fā)

在狹縫擠壓涂布過程中，干燥階段與涂布階段分開進(jìn)行。蒸發(fā)在濕膜形成后開始。這既帶來了復(fù)雜性，也為影響獲得的干涂層提供了優(yōu)勢(shì)。

大規(guī)模沉積

薄膜生產(chǎn)的規(guī)模或未來的可擴(kuò)展性是選擇技術(shù)時(shí)需要考慮的關(guān)鍵因素。

擴(kuò)大不同技術(shù)

旋涂適用于需要明確定義薄膜厚度的小規(guī)模程序。然而，很難將旋涂應(yīng)用于大規(guī)模制造過程，并且會(huì)浪費(fèi)大量材料。

狹縫擠壓涂布比旋涂具有更多優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的更大靈活性。如果需要在大面積上印刷溶液，狹縫擠壓涂布可能是好選擇。

卷對(duì)卷工藝

連續(xù)工藝和減少浪費(fèi)對(duì)于薄膜器件的大規(guī)模制造是有利的。這是因?yàn)樗鼈兛梢约{入卷對(duì)卷（R2R）系統(tǒng)。R2R處理是一種制造技術(shù)，其中柔性基底在大型輥之間傳遞，并在后續(xù)步驟中涂覆層。

R2R狹縫擠壓涂布被視為大規(guī)模處理的理想方法，因?yàn)樗梢苑浅？焖俚赝扛泊竺娣e，并且可以結(jié)合幾種不同的印刷或涂布技術(shù)。

擴(kuò)大規(guī)模的挑戰(zhàn)

R2R狹縫擠壓涂布具有與小規(guī)模狹縫擠壓涂布類似的挑戰(zhàn)，包括尋找穩(wěn)定的涂布窗口。此外，增加的操作時(shí)間可能導(dǎo)致溶液在過程中發(fā)生變化。

印刷薄膜

除了狹縫擠壓涂布外，印刷技術(shù)通常是可擴(kuò)展制造的下一步。它們?cè)谥圃齑笠?guī)模圖案化薄膜時(shí)特別有用。

印刷技術(shù)包括絲網(wǎng)印刷、柔性版印刷、凹版印刷和噴墨印刷。

絲網(wǎng)印刷

絲網(wǎng)印刷使用壓在基底上的絲網(wǎng)來產(chǎn)生圖案。這需要高粘度、低揮發(fā)性的溶液，這可能會(huì)限制在OPV中的應(yīng)用。

柔性版印刷

電極也可以通過柔性版印刷來印刷。這也可以通過使用組合雕刻輥輕松生產(chǎn)圖案化薄膜。

凹版印刷

凹版印刷是一個(gè)類似的過程，使用組合雕刻輥，能夠生產(chǎn)非常薄的層。

噴墨印刷

應(yīng)用于OPV制造的噴墨印刷具有高分辨率、易于圖案化、快速印刷和最小浪費(fèi)的特點(diǎn)。然而，與噴嘴堵塞、溶液添加劑、干燥條件和循環(huán)系統(tǒng)相關(guān)的顯著復(fù)雜性限制了容易優(yōu)化。

結(jié)論

選擇合適的薄膜處理方法是一個(gè)關(guān)鍵步驟，可能對(duì)項(xiàng)目的成功產(chǎn)生重大影響。可用信息應(yīng)幫助您為項(xiàng)目選擇最合適的方法，并為您在擴(kuò)大薄膜生產(chǎn)規(guī)模時(shí)出現(xiàn)的挑戰(zhàn)做好準(zhǔn)備。