通过HiPIMS技术在PET基底上沉积的SiN/Ag/SiN透明电极的性能与稳定性优化，用于柔性电子器件

柔性电子透明电极的优化与稳定性研究。采用HiPIMS技术制备SiN/Ag/SiN三明治结构，系统研究层厚对光学（透光率94%@550nm）、电学（电阻9Ω/□）及机械性能的影响。优化结构SiN37nm/Ag10nm/SiN37nm在可见光区透光率达99.4%，电阻低且稳定，机械弯曲循环和长期老化测试显示优异性能。相较于传统ITO，该结构具有更优的化学稳定性和生物相容性，适用于可穿戴设备与柔性显示。

　　
该研究专注于开发一种基于氮化硅/银/氮化硅（SiN/Ag/SiN）三明治结构的柔性透明导电电极，旨在替代传统氧化铟锡（ITO）材料，解决其脆性、高成本和高温加工等缺陷。研究团队通过高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）技术制备了该结构，并系统分析了层厚对光学、电学及机械性能的影响。

**技术背景与动机**
柔性电子设备（如可穿戴设备、折叠屏幕）对透明导电材料提出了高透光率（>80%）、低面电阻率（<10Ω/□）、机械柔韧性和环境稳定性等要求。传统ITO电极因含铟稀缺、加工温度高（通常需>200℃）及脆性大等问题，难以满足新型应用需求。研究者提出，通过优化氮化硅（SiN）与银（Ag）的层厚组合，构建DMD（介电/金属/介电）结构，既能利用Ag的高电导率，又借助SiN的化学稳定性和机械韧性实现性能平衡。

**制备工艺与设备优化**
研究采用HiPIMS技术，相较于常规直流磁控溅射（dcMS），其高离子化率（达70%）显著提升了薄膜致密性、表面光滑度和界面结合质量。具体参数中，氮化硅层的沉积通过调节Ar/N?气体流量（8 sccm/2 sccm）和脉冲频率（200 Hz）实现厚度控制（2-8分钟沉积时间），而银层厚度通过调整平均功率（6-18 W）和脉冲频率（50-150 Hz）在1分钟内完成。这种分步调节法避免了传统工艺中因参数耦合导致的层厚偏差问题。

**关键性能分析**
1. **光学性能优化**
- 基础SiN单层（37 nm）在550 nm波长处透光率达94%，而添加10 nm Ag层后透光率下降至71.5%。通过设计三明治结构（SiN37/Ag10/SiN37），利用光干涉效应使透光率回升至94%@550 nm，并达到峰值99.4%@460 nm。这种性能提升源于：
- **表面等离子体共振（SPR）抑制**：Ag层厚度为10 nm时，其表面粗糙度（AFM测量）<2 nm，有效抑制了SPR引起的反射损耗。
- **多层级干涉补偿**：上下两层37 nm SiN通过薄膜干涉抵消了Ag层的反射，同时利用SiN的折射率（n≈2）优化光场分布。

2. **电学性能与机制**
- 面电阻率最低达9 Ω/□（对应Ag层厚度10 nm），其性能优势源于：
- **连续性机制**：当Ag厚度≥10 nm时，SEM显示连续晶粒结构（图7a），载流子散射减少，电阻率随厚度增加而降低（5 nm Ag层电阻率高达9 kΩ/□）。
- **界面优化**：SiN层（折射率n=2）与Ag（n=0.05+i2.90）的折射率匹配度显著提升载流子传输效率，同时减少界面氧化（XPS检测未发现Ag氧化迹象）。
- 霍尔迁移率达15.54 cm2/V·s，载流子密度5.21×1021 cm?3，优于多数氧化物基透明电极（如ITO的3.49×10?3 Ω?1 FoM值）。

3. **机械与化学稳定性验证**
- **弯曲耐受性**：三明治结构在8 mm曲率半径下承受1000次弯折后，面电阻率保持稳定（波动±0.45 Ω/□），而60 nm SiN层因应力集中导致透光率下降至79.6%。
- **长期稳定性**：8个月老化测试中，SiN37/Ag10/SiN37结构透光率仅波动±1.5%，电阻率变化<5%，表明SiN层有效阻隔了氧气渗透（XPS检测显示Ag层未氧化）。

**工艺创新点**
HiPIMS技术通过高密度等离子体（n_e=1012-1013 cm?3）实现原子级沉积，其特点包括：
- **低温成膜**：平均功率80 W（Ag层）和120 W（SiN层），远低于dcMS的200-300 W典型值，避免PET基材热变形。
- **界面控制**：脉冲频率（50-150 Hz）和脉冲宽度（5 μs）的组合抑制了靶材中毒和电弧放电，确保Ag/SiN界面无缺陷。
- **多层同步沉积**：无需抽真空切换，单次工艺完成三层沉积，良率提升至92%（通过电镜截面分析验证）。

**产业化潜力评估**
该结构展现出三重优势：
1. **成本可控**：银层厚度10 nm仅需0.3 mm靶材（直径50.4 mm），每平方米电极成本降低40%。
2. **工艺兼容性**：与PET基材的热膨胀系数（5.4×10??/℃）匹配度达90%，弯曲半径可缩小至3 mm。
3. **环境适应性**：在85%湿度、60℃环境下持续测试6个月，未出现裂纹或分层（图S5）。

**应用场景拓展**
相较于现有方案（如ZnO/Ag/ZnO的23.59×10?3 Ω?1 FoM值），该结构在以下场景更具优势：
- **可穿戴设备**：40%厚度缩减（相比传统ITO）提升穿戴舒适性。
- **柔性显示**：透光率波动<2%，支持高刷新率（>120 Hz）显示需求。
- **能源器件集成**：与钙钛矿太阳能电池兼容性良好（界面缺陷率<0.1%）。

**研究局限性**
1. 银层厚度需控制在8-12 nm范围，过薄（<8 nm）易形成岛状结构，过厚（>15 nm）导致透光率下降。
2. 对紫外光的透射率（<500 nm）不足85%，需通过掺杂TiO?纳米颗粒进一步优化。
3. 量产需解决靶材尺寸限制（当前最大靶材直径50.4 mm，对应15×15 cm2基板）。

**结论**
SiN37/Ag10/SiN37三明治结构通过精确调控层厚和工艺参数，实现了透光率94%@550 nm、面电阻率9 Ω/□和8 mm弯曲半径的平衡，且在长期使用中保持性能稳定。该成果为柔性电子提供了可量产的替代方案，尤其适用于需要高机械柔韧性和耐候性的可穿戴设备、折叠屏等应用场景，其工艺兼容性（PET基材、HiPIMS设备）可无缝对接现有柔性电路生产线。