薄膜制备的方法有哪些？有什么区别呢？

薄膜沉积 | 涂层方法比较

薄膜可以通过多种涂层方法制备，包括蒸发技术和溶液处理法。溶液处理技术将溶液均匀涂覆在基底上，干燥后形成薄膜。均匀可靠的薄膜沉积对于太阳能电池、有机发光二极管（OLED）和其他半导体器件的开发与制造至关重要。由于可用的薄膜沉积方法多种多样，某些工艺更适合特定应用。溶液处理法因其可扩展性潜力而特别具有吸引力。

选择适合的涂层方法

从小规模研究到大规模商业化生产，您需要综合考虑小规模和大规模应用来比较每种薄膜涂层方法。这有助于您为当前需求做出正确选择，同时了解未来扩大生产规模的选择。选择合适的涂层方法对于生产高质量薄膜器件至关重要。

虽然旋涂适用于小规模实验室研究，但成功的薄膜最终需要与卷对卷（R2R）兼容的方法。狭缝挤压涂布和喷涂可作为中间技术，类似于R2R方法，但适用于实验室规模操作。

了解薄膜的干燥过程也很重要。可以通过控制多个因素来优化最终干膜的形态。

薄膜沉积方法

有许多不同的薄膜沉积技术用于生产高质量薄膜。每种技术都有其优势、缺点和挑战，以及确保均匀涂层的关键参数和理想应用。了解不同沉积技术之间的差异对于选择适合实验需求的涂层方法至关重要。同时，考虑所选技术的可扩展性及其与大规模制造的兼容性也很重要。

旋涂

在旋涂中，将溶液沉积在基底上，然后高速旋转。离心力、粘性阻力和表面张力的共同作用使溶液均匀分布在基底上。薄膜厚度由旋转速度决定。

优点：

方法简单，几乎不需要培训

可创建厚度从纳米到微米的均匀薄膜

干燥时间通常最快

成本效益的小批量或单个薄膜制备方法

缺点：

仅限于小基底的批量处理，不适合大规模生产

旋转过程导致高浪费率

难以制备具有弯曲或柔性基底或梯度厚度的复杂薄膜

浸涂

在浸涂中，将基底浸入涂层溶液中，当取出时，在基底上形成液体层。溶液在浸入时润湿薄膜，在取出时通过溶剂蒸发干燥。

优点：

经济实惠、简单且易于适应不同需求

可涂覆基底的两面，兼容平面或管状基底

可在各种基底上实现纳米级表面粗糙度的非常均匀的涂层

缺点：

溶液使用量大，导致高浪费

湿膜在干燥阶段易受环境因素影响

可能需要后沉积热处理，增加成本并降低可扩展性

狭缝涂布

在狭缝挤压涂布中，溶液直接涂覆在基底上。溶液以确定的速度通过"头"流动，同时基底相对于头移动。

优点：

可生产均匀薄膜，溶液浪费少

适用于刚性和柔性基底

易于扩展，可实现高涂布速度

可用于卷对卷加工

缺点：

工艺复杂，需要优化多个参数

初始成本高

缺陷来源难以诊断

每次使用后需要大量清洁

刮刀涂布

刮刀涂布（或刀片涂布）涉及在基底上运行刀片以将溶液均匀地铺展在其表面上。

优点：

技术简单，设置成本低

溶液浪费较少

适用于各种粘度溶液和刚性和柔性基底

可扩展，适用于工业规模薄膜制备

缺点：

不如旋涂等方法精确

通常无法创建厚度低于10微米的薄膜

湿层薄膜厚度重现性差

棒涂

棒涂与刮刀涂布非常相似；溶液通过缠绕有螺旋线的圆柱棒铺展在基底上。

优点：

经济实惠且易于使用

可涂覆大面积刚性和柔性基底

干燥时间可良好控制

易于适应和优化

缺点：

薄膜厚度受限于线的直径

无法实现图案或梯度

涂布速度慢

喷涂

喷涂是研究和工业中使用的替代沉积技术。在这种方法中，涂层溶液被加压气体流分解，然后以细小的液滴连续流动形式分配。

优点：

快速沉积薄膜的方法

易于实现多层涂布

可涂覆大面积基底和具有不平或弯曲表面的基底

缺点：

难以图案化

无法实现与其他技术相同的薄膜均匀性

更难控制薄膜厚度

系统安装成本高

旋涂与狭缝涂布比较

旋涂和狭缝挤压涂布都是常见且流行的技术，但它们有不同的优势和挑战。

生产均匀薄膜：

使用旋涂机更容易生产均匀薄膜

狭缝挤压涂布需要优化多个参数，通常是一个漫长的过程

涂布区域大小和可扩展性：

旋涂适用于研发应用以生产小型单个薄膜

狭缝挤压涂布可涂覆大面积，兼容连续涂布方法

浪费：

旋涂中约90%的溶液被丢弃

狭缝挤压涂布中溶液浪费极少

干燥薄膜

涂层过程中的一个重要方面是干燥阶段。干燥方式会显著影响涂层的形态和后续性能，特别是在OLED、钙钛矿太阳能电池或有机太阳能电池等器件中。

蒸发理论

薄膜形成过程受蒸发影响很大。蒸发发生在液体-蒸汽边界，当蒸汽压力低于液体压力时。对于湿膜处理，是溶剂蒸发。随着溶剂蒸发，湿涂层中的固体材料变得更加浓缩，直到形成最终的干膜。

旋涂中的蒸发

在旋涂中，蒸发和干燥是涂层过程的关键部分。它直接受溶剂性质和旋转速度的影响。一般来说，旋涂湿膜的蒸发速率高于狭缝挤压涂布湿膜。

狭缝挤压涂布薄膜的蒸发

在狭缝挤压涂布过程中，干燥阶段与涂布阶段分开进行。蒸发在湿膜形成后开始。这既带来了复杂性，也为影响获得的干涂层提供了优势。

大规模沉积

薄膜生产的规模或未来的可扩展性是选择技术时需要考虑的关键因素。

扩大不同技术

旋涂适用于需要明确定义薄膜厚度的小规模程序。然而，很难将旋涂应用于大规模制造过程，并且会浪费大量材料。

狭缝挤压涂布比旋涂具有更多优势，可实现大规模应用的更大灵活性。如果需要在大面积上印刷溶液，狭缝挤压涂布可能是好选择。

卷对卷工艺

连续工艺和减少浪费对于薄膜器件的大规模制造是有利的。这是因为它们可以纳入卷对卷（R2R）系统。R2R处理是一种制造技术，其中柔性基底在大型辊之间传递，并在后续步骤中涂覆层。

R2R狭缝挤压涂布被视为大规模处理的理想方法，因为它可以非常快速地涂覆大面积，并且可以结合几种不同的印刷或涂布技术。

扩大规模的挑战

R2R狭缝挤压涂布具有与小规模狭缝挤压涂布类似的挑战，包括寻找稳定的涂布窗口。此外，增加的操作时间可能导致溶液在过程中发生变化。

印刷薄膜

除了狭缝挤压涂布外，印刷技术通常是可扩展制造的下一步。它们在制造大规模图案化薄膜时特别有用。

印刷技术包括丝网印刷、柔性版印刷、凹版印刷和喷墨印刷。

丝网印刷

丝网印刷使用压在基底上的丝网来产生图案。这需要高粘度、低挥发性的溶液，这可能会限制在OPV中的应用。

柔性版印刷

电极也可以通过柔性版印刷来印刷。这也可以通过使用组合雕刻辊轻松生产图案化薄膜。

凹版印刷

凹版印刷是一个类似的过程，使用组合雕刻辊，能够生产非常薄的层。

喷墨印刷

应用于OPV制造的喷墨印刷具有高分辨率、易于图案化、快速印刷和最小浪费的特点。然而，与喷嘴堵塞、溶液添加剂、干燥条件和循环系统相关的显着复杂性限制了容易优化。

结论

选择合适的薄膜处理方法是一个关键步骤，可能对项目的成功产生重大影响。可用信息应帮助您为项目选择最合适的方法，并为您在扩大薄膜生产规模时出现的挑战做好准备。