住友重机械工业株式会社（总部：东京都品川区，代表董事社长：渡部敏朗；以下简称「住友重机械」）与高知工科大学（高知县香美市，校长：蝶野成臣）综合研究所材料设计中心主任山本哲也等人，在共同研究中利用住友重机械独创的反应性电浆沉积法（RPD法）（※1），全球首次成功开发出在玻璃基板上形成厚度为10纳米（纳米为十亿分之一公尺）的氧化锌（ZnO）结晶状态透明导电膜技术。这证明了RPD法作为在玻璃基板上以极薄且结晶状态形成ZnO膜（未来将作为透明导电膜、缓冲膜/晶种膜（※2）进一步研究）之手段的实用性。 本次研究使用的成膜设备示意图 【背景】 透明导电膜是太阳能电池、有机EL和透明加热器等需要「同时导电与透光表面」的产品中不可或缺的材料。它们以将氧化铟锡（ITO）或铟镓锌氧化物（IGZO）等金属氧化物沉积在玻璃或塑料等透明基板上的状态被使用。ZnO透明导电膜一直备受关注，主要是因为锌资源丰富，加上其具备吸收紫外线的特性、高导热率，且能根据用途控制其柔韧性。然而，与传统材料相比，由于成膜时处理难度较高，其作为透明导电膜的实际应用受到限制，大多停留在企业和大学的研发阶段。 住友重机械主要为太阳能电池、平面显示器和有机EL领域开发与制造将ITO和掺镓氧化锌（GZO）等透明导电膜沉积在玻璃等基板上的设备。为了进一步发展RPD法的基础研究，与山本主任等人进行了至2024年的共同研究，迄今已开发出利用RPD法成膜厚度为5纳米的结晶状态掺钨氧化铟（IWO）透明导电膜等技术（※3）。本次成果是2023年至2024年间进行的共同研究之成果，住友重机械负责RPD设备的改良。 【RPD法在本次研究中的贡献】 - 虽然ZnO即使在低温下也容易结晶，但由于成膜初期的快速生长，它是一种晶体结构容易产生扭曲的材料。在使用溅镀等物理气相沉积法（PVD）时，由于多种晶体结构混合，且直接在基板上成膜需要20纳米以上的厚度，因此在实现极薄膜化时难以控制其特性。 - RPD法可以自由控制电浆状态的金属元素离子和氧离子碰撞基板时的动能（能量）。通过这种能量控制，可以实现仅具单一晶体结构的透明导电膜。此外，本次为了研究目的改装了现有的RPD成膜设备，使其能够更精确地调整金属元素离子和氧分子离子对基板的碰撞能量。 - 结果，他们全球首次成功在玻璃基板上沉积了厚度为10纳米、缓解了晶体结构扭曲的结晶状态ZnO透明导电膜。 - 由于RPD法具有「低温、低损伤」和「大面积、高速成膜」的特点，它非常适合例如在不耐热基板上成膜以及实际量产应用。 【未来展望】 能够精确形成结晶状态ZnO透明导电膜的技术，未来有望应用于无铟（In）透明导电膜，以及要求严格精度的缓冲膜和晶种膜等领域。这也被期待是能降低资源风险的未来技术。今后，住友重机械将继续致力于RPD法等独创技术的创造与价值提升，研发能长远地以温柔充满人类与社会的技术。 技术详情预计将由山本主任的研究团队另行发布。 注解 ※1 反应性电浆沉积法（RPD: Reactive Plasma Deposition）。这是住友重机械独创的成膜方法，利用磁场将电浆枪发射的电子引导至蒸发材料，并在高密度电浆中活化因加热而升华的材料，使其具有高反应性。 在RPD法中，带正电的飞行粒子被加速的机制，主要在于控制从作为蒸发源的阳极（anode）电位到基板的电浆电位（plasma potential）分布推出带正电飞行粒子的效应，以及在基板界面形成的鞘层电位（sheath potential）的协同作用。由于这项特点，可以在保持高反应性的同时将对基板的损伤降至最低，实现致密薄膜的形成，进而形成结晶性优良的薄膜。 参考：关于真空成膜设备