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钼金属/合金的应用—— 薄膜与溅射靶材
2025-04-17 20:00:57
有些存在已久的技术如阴极射线管被淘汰，钼在其中发挥了重要作用。薄膜晶体管液晶显示器（TFTLCD）技术依靠钼的另一组特性，彻底改变了仪器、计算机、电信和电视显示屏。LCD显示器在屏幕后面有一个光源（ LED 或冷阴极荧光灯），来照亮各种图像元素（像素）。对于每个像素，单独的 TFT控制每个液晶周围的电场， 使液晶接收适量的光照射像素。钼薄膜用于TFT的栅极金属化和源/漏电极， 而主要导电层通常是铝或铜，它们的电导率均高于钼。钼有多种用途：
图1 显示了操作中的溅射靶材。向靶材施加电压使低压氩气电离， 产生一个由带正电的氩离子（Ar+）、自由电子和中性氩原子组成的等离子体。等离子体产生了如图1所示的耀眼辉光。Ar+离子在电场的作用下加速飞向带负电的靶材（作为阴极），它们以高动能撞击靶材表面， 使一些靶材原子逸出。典型的中性靶原子以直线飞离靶材并沉积在基底表面。由于是沿着飞行路线沉积， 靶材和基底必须在尺寸上十分匹配， 并且彼此靠近，以实现沉积数量最大化。为了最大限度地提高生产率，在一张玻璃上要生产多个屏幕，所以随着显示器尺寸的增大，靶区域也必须同步增大。在该技术诞生后的很短时间内，靶材尺寸增加到超过了钼板的制造能力，因此开发了多种靶材作为大型单片靶材的替代品。图2 显示了一个扁平靶材和管状靶材。
图1 操作中的溅射靶材，发出的蓝光与 Ar 等离子体相关 ©Materials Science, Inc.
图2 以各种尺寸和形式生产的溅射靶材© Plansee SE
为满足对显示器性能越来越高的要求，不断出现新的更高性能的设计，材料的开发也随之不断进展，采用混合、压制、烧结和热等静压(HIP) 组合方法的粉末冶金 (PM)工艺制造复合钼钛靶材。图3显示了典型 Mo-Ti 靶材的微观结构。
图3 Mo-Ti靶材的微观结构©H. C. Starck，样品由NSL分析服务公司制备
需要钼薄膜的一个新兴市场是太阳能发电。早期的太阳能电池板设计采用单晶硅作为电能转换元件。然而， 与新兴的薄膜电池技术相比，这些装置相当昂贵。与传统的单晶太阳能电池相比，薄膜技术以具有吸引力的成本提供了高转换效率。两个主要的薄膜光伏材料之一是铜铟 (镓) -硒化物 (CIGS) 。在这些电池中， 光电活性吸收层是具有晶体或非晶体结构的化合物半导体层，它基于Cu (Inx，Ga(1-x))(Sey，S(1-y))2 形式的黄铜矿。钼是CIGS太阳能电池结构的重要组成部分， 在整个面板下方形成背面接触。图4是CIGS太阳能电池横截面的彩色增强扫描电子显微镜 (SEM)图像。由于CIGS电池可以使用聚合物或金属基板以及图中所示的玻璃基板，因此它们允许轻重量柔性(即可弯曲) 设计。太阳能电池和平板显示器采用钼出于同样的原因：与基板和显示器组件或活性太阳能电池材料结合得牢固，CTE匹配良好，可最大限度地减少热应力和相关的开裂，良好的导电性以及与加工环境的兼容性。
图4 CIGS 太阳能电池结构的高倍放大 SEM 图像。该图像由美国能源部国家可再生能源实验室拍摄