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薄膜制備的方法有哪些?有什么區(qū)別呢?

來(lái)源:邁可諾技術(shù)有限公司   2025年07月10日 17:00  

 

薄膜沉積 | 涂層方法比較

薄膜可以通過(guò)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(lái)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(lái)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(guò)程也很重要??梢酝ㄟ^(guò)控制多個(gè)因素來(lái)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。

img1 

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(guò)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(guò)溶劑蒸發(fā)干燥。

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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(guò)"頭"流動(dòng),同時(shí)基底相對(duì)于頭移動(dòng)。

img3 

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(lái)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。

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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(wú)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(guò)纏繞有螺旋線的圓柱棒鋪展在基底上。

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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(wú)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。

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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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)說(shuō),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(guò)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(lái)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)?;蛭磥?lái)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)柔性版印刷來(lái)印刷。這也可以通過(guò)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(guò)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。

 

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