通过银（Ag）掺杂诱导ZnO薄膜的表面功能化，以增强分子的定向性和电学性能

Ag掺杂ZnO薄膜通过刷涂工艺制备，并验证其在液晶显示器取向层中的应用。研究显示掺杂浓度达20 wt%时薄膜光学透传率达82.9%，表面形貌和结晶结构经SEM和XRD分析确认，XPS证实Ag成功掺杂。该工艺兼具规模化生产与低成本优势，有效改善液晶取向均匀性并降低图像残影，为电子器件开发提供新方案。

　　

李东旭（Dong Wook Lee）|金大贤（Dae-Hyun Kim）|徐大植（Dae-Shik Seo）

韩国全罗北道全州市万山区天参路303号全州大学电气与电子工程系，邮编55069

摘要

本研究介绍了一种掺银（Ag）纳米粒子的氧化锌（ZnO）薄膜，并将其作为液晶（LC）分子的取向层。该薄膜采用刷涂法制备，银的掺杂浓度分别为0%、10%和20%（重量百分比）。掺银ZnO薄膜的光学透射率超过82.9%，其性能可与传统使用的氧化铟锡（ITO）涂层玻璃相媲美，表明其在光电器件中的潜在应用前景。通过偏振光学显微镜分析证实，银掺杂的ZnO薄膜上实现了液晶分子的均匀取向，表现出优异的光控性能。X射线光电子能谱（XPS）验证了银成功掺入ZnO薄膜中。扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）分析显示，薄膜表面具有各向异性的非晶结构，这归因于涂覆过程中刷毛的定向运动。银在ZnO薄膜中的掺杂增强了液晶层的极化锚定能量，这对图像稳定性至关重要。这一改进还有助于减少图像粘连现象并降低残余直流电压。总体而言，这些结果证明了掺银ZnO薄膜作为电子器件功能组件的可行性。

引言

表面工程的一个关键应用是开发用于液晶显示器（LCD）的取向层技术。这种表面处理技术对于均匀排列液晶（LC）分子至关重要，从而实现具有稳定电光特性的高性能LCD。实现液晶分子的均匀取向是LCD制造中的关键任务。液晶是一种介于固态和液态之间的介观态材料，具有各向异性特性，如折射率、介电常数、弹性和分子取向。这些各向异性特性使液晶非常适合用于电子显示技术，LCD仍然是各种屏幕尺寸中最广泛使用的显示类型[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。

传统上，通过在旋涂聚酰亚胺（PI）层上制造称为“微槽”的表面沟槽来实现液晶取向[[7], [8], [9]]。这些微槽通过弹性相互作用来限制液晶分子的空间取向。然而，摩擦布与取向层表面之间的接触可能产生静电并引入灰尘，从而降低器件性能。

为克服这些限制，人们研究了多种替代的取向层处理技术，包括电子束光刻、蒸发、溅射和等离子体处理[[10], [11], [12], [13], [14], [15]]。尽管这些方法有效，但由于复杂性和高成本，它们在大规模商业应用中面临挑战。相比之下，基于溶液的涂覆工艺因具有可扩展性和与工业生产的兼容性而受到关注。此外，上述大多数方法需要两个独立步骤——先沉积薄膜再进行处理，而溶液涂覆工艺可以整合这些步骤，从而提高效率。

在各种溶液涂覆技术中，刷涂法是一种高通量方法，能够同时形成薄膜并诱导分子取向。该技术提高了薄膜材料的取向性和结晶度，从而直接提升了器件性能[16,17]。其机制与机械摩擦类似：通过刷毛的定向运动对溶液态薄膜施加剪切应力，从而形成各向异性结构[18,19]。此外，刷涂法与溶胶-凝胶法兼容，后者是一种成熟且高效的金属氧化物薄膜制备技术。

氧化锌（ZnO）是一种有前景的材料，因为它具有优异的机械耐久性、抗物理应力能力、宽禁带隙、高光学透射率和非毒性——这些特性使其非常适合用于电子和光电器件[[20], [21], [22], [23]]。近年来，通过掺杂金属氧化物来调整其物理和电学性质引起了广泛的研究兴趣[24,25]。银（Ag）纳米粒子特别适合作为ZnO薄膜的掺杂剂。它们不仅改善了光学和电学性能，还使掺杂薄膜能够有效作为取向层[26,27]。

在本研究中，制备了掺银ZnO薄膜并评估了其作为液晶取向层的适用性。使用紫外-可见-近红外（UV–vis–NIR）光谱法评估了其光学透明度。表面形貌和晶体结构分别通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）进行表征。X射线光电子能谱（XPS）用于确认薄膜的化学计量组成。通过偏振光学显微镜（POM）研究了液晶在掺银ZnO层上的取向行为。最后，通过测量极化锚定能量和滞后行为分析了取向层的电学性质。

部分内容摘录

通过溶液涂覆工艺制备掺银ZnO薄膜

采用刷涂法制备了掺银ZnO薄膜。首先使用异丙醇和丙酮依次清洗2×3厘米的玻璃基底，每种溶剂处理10分钟并进行超声清洗以有效去除表面杂质。然后用氮气（N?）干燥清洗后的基底。使用2-甲氧基乙醇作为溶剂制备了0.1 M的醋酸锌二水合物溶液。随后加入银纳米粉末（纯度99.5%，Sigma-Aldrich）进行掺杂

结果与讨论

图2展示了通过刷涂工艺制备的掺银ZnO薄膜的光学透射率曲线。这些曲线展示了薄膜在光电器件应用中的光学特性。对于此类应用，可见光范围（380–740纳米）内的平均光学透射率是一个关键因素。掺银浓度为0%、10%和20%的ZnO薄膜在可见光谱范围内表现出稳定的透射率，表明其具有良好的光学稳定性。

结论

本研究通过溶液涂覆工艺制备了掺银ZnO薄膜，以实现液晶分子的均匀取向。采用刷涂法，该方法在可扩展性和成本效益方面具有优势。银的掺杂比例分别为0%、10%和20%（重量百分比）。所得薄膜的光学透射率优于传统使用的ITO涂层玻璃，表明其在光电器件中的潜在应用前景。偏振光学显微镜（POM）分析显示，掺银薄膜表现出良好的...

CRediT作者贡献声明

李东旭（Dong Wook Lee）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，概念构思。金大贤（Dae-Hyun Kim）：可视化处理，验证，方法学研究，实验设计。徐大植（Dae-Shik Seo）：项目监督，资源协调，资金筹集，正式数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了韩国政府（MSIT）资助的韩国国家研究基金会（NRF）（项目编号：2022R1F1A106419213）的支持。