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超薄银膜通过离子源辅助溅射技术实现种子层自由制备，优化表面润湿性和薄膜渗透性，显著提升低发射率涂层的可见光透射率和红外反射率，12 nm银膜发射率达6.1%。
徐明|李俊宇|刘一凡|古贝拉·马里乌斯|谢伟伟|邱振|范琪华
密歇根州立大学化学工程与材料科学系，美国密歇根州东兰辛市，48824
摘要
超薄银（Ag）薄膜对于下一代光电子应用至关重要，尤其是在低辐射（low-E）涂层中，因为它们具有优异的可见光透射率和红外反射率。然而，通过传统的磁控溅射技术在10纳米以下制备连续的银层受到Volmer-Weber生长模式的根本限制，这种模式是由于金属-介质界面的润湿性差所导致的。尽管通常使用种子层来缓解这一问题，但它们往往会对薄膜的固有导电性产生不利影响。本研究展示了一种无需种子层的方法，利用离子源辅助溅射技术来增强银的润湿性并促进薄膜的早期渗透。因此，基于氧化铌的介质-金属-介质（DMD）结构的可见光透射率得到了显著提高。值得注意的是，使用离子源沉积的12纳米银薄膜的最低辐射率为6.1%。通过UV-Vis光谱、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、四点探针和接触角分析等综合表征方法证实，离子源辅助溅射技术能够获得更优化的光电子性能。
引言
建筑是全球能源消耗的主要领域之一，仅供暖、通风和空调（HVAC）系统就占总能源使用的约30-40%[[1], [2], [3], [4], [5]]。随着城市热岛效应的加剧、预计到2050年城市人口将从目前的约50%增加到近68%，以及全球温度持续上升的趋势[6]，这一能源需求预计将进一步增加。为了应对这些挑战，开发出能够结合高可见光透射率和强红外（IR）反射率的光谱选择性涂层已成为减少建筑能耗的一种非常有前景的方法[7,8]。这种节能窗户系统可以大幅降低建筑的供暖和制冷负荷，从而减少总能源消耗和相关的碳排放[9]。
在各种设计策略中，介质/金属/介质（D/M/D）多层涂层已被证明是低辐射（low-E）涂层应用中最有效的架构之一[10]。在这种配置中，金属层作为主要的红外反射器，必须同时具有低热辐射率和最小的光学吸收[11]。银（Ag）是首选材料，因为其辐射率极低（约0.002），并且与其他贵金属如金（Au）和铜（Cu）相比，其光学损耗显著更低[12,13]。为了优化涂层的光学性能，加入具有高折射率和最小消光系数的透明介质保护层是必不可少的[14,15]。这些介质层具有双重功能：它们保护金属层免受氧化，并能够精细调节光学响应，从而确保在可见光区域具有高透射率，同时在红外区域保持强反射率。
然而，沉积在介质材料上的银薄膜倾向于以Volmer-Weber模式生长，当名义厚度低于10纳米时，会形成三维岛屿[[16], [17], [18]]。这种不均匀的生长会通过引入显著的散射损耗而严重降低薄膜质量[[19], [20], [21]]。例如，嵌入在介质层之间的表面粗糙的银层会表现出较差的低辐射性能、低光学质量和降低的可靠性[22,23]。为了缓解这些问题，已经使用了Ge、Cu和Nb等种子层来促进从岛屿状生长向连续二维生长的转变[24,25]。虽然这些种子层在制备更光滑的超薄银薄膜方面有效，但它们也会引入额外的缺点，包括在可见光范围内增加光学阻尼和吸收，特别是在Ge的情况下，由于其带隙较窄[26]。
本研究通过展示一种新型的无种子层方法，利用离子源制备出优异的光电子银层，推动了高性能低辐射涂层领域的发展。我们阐明了一个双作用机制框架：首先，离子诱导的介质表面能调节显著提高了基底的润湿性，有效抑制了三维岛屿生长模式。同时，入射银原子的动能增强促进了快速渗透，从而在超薄厚度（6-12纳米）下形成了拓扑密集且连续的银网络。这种协同作用使得无需种子层即可实现银的生长，有效地绕过了辅助种子材料带来的光学惩罚。研究了氧化铌（NbOx）作为高折射率（n ≈ 2.4）的介质伴侣，用于低辐射多层堆叠，因为它具有优异的折射性能和最小的消光[27]。我们的研究结果表明，离子源增强的夹层结构比不使用离子源沉积的薄膜具有更低的辐射率，这代表了无种子层低辐射系统在光电子质量和环境稳定性方面的重大飞跃。
实验部分
实验
银（Ag）单层薄膜和NbOx/Ag/NbOx多层结构沉积在硼硅酸盐玻璃基底（2.5 × 2.5厘米2，厚度约0.5毫米）上。沉积前，基底在丙酮中超声清洗，用去离子水冲洗，并在60°C以上干燥30分钟。
薄膜沉积使用直流和脉冲直流磁控溅射系统（Kurt J. Lesker Company ? PVD 75 PRO Line）进行，该系统配备了宽束离子源（SPR-100，Scion Plasma LLC）。
单层银薄膜的扫描电子显微镜（SEM）图像
SEM分析显示，使用离子源和不使用离子源沉积的不同厚度（8、10和12纳米）的单层银薄膜在形态上存在明显差异，如图1所示。对于不使用离子源沉积的银薄膜（图1(a–c)），在12纳米厚度以下仍存在大量孤立的岛屿，表明薄膜仍处于渗透阈值以下[29]。而使用离子源沉积的银薄膜（图1(d–f)）则只显示出少量的岛屿
结论
本研究系统地研究了引入离子源对超薄银薄膜生长行为和光电子性能的影响，用于高性能低辐射涂层。通过实施离子源辅助的预处理和沉积，我们成功制备出了厚度低至6纳米的连续均匀银层。需要强调的是，这是通过无种子层的方法实现的，这与传统方法有显著不同
CRediT作者贡献声明
徐明：撰写 – 原始草稿，研究，正式分析，数据管理，概念化。李俊宇：撰写 – 审稿与编辑，监督，研究，正式分析。刘一凡：方法学，研究，正式分析。古贝拉·马里乌斯：研究，正式分析。谢伟伟：资源提供。邱振：监督，资源提供。范琪华：撰写 – 审稿与编辑，监督，研究，正式分析，概念化。
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
本工作得到了国家科学基金会（NSF）（资助编号2243110）、MSU TSGTD和ADVANCE项目，以及AAP-PIRA项目的支持。
