溶液法制备薄膜-旋涂法（Spin-coating）的基本原理及操作教程（三）

文摘 2025-01-15 22:04 浙江

旋涂实际操作的技巧

旋涂纳米颗粒时的特殊需求

在许多有机电子和纳米技术领域，油墨旋涂的过程，和干燥过程都是主要的部分，也就是其中所有的“行动行为”发生的部分。有时被称为“油墨干燥科学”，下面的例子也说明，大部分的关键过程都发生在溶液干燥这个阶段：

1、小分子或者聚合物的π-π堆积或者结晶过程。

2、嵌段聚合物的自组装过程。

3、聚合物-富勒烯混合物的相分离过程。

4、纳米颗粒或者胶体的聚合和组装过程。

能精确地控制这些过程是非常重要的。实际上，当旋涂纳米颗粒用于电子或者纳米技术应用时，薄膜的品质不仅与基本的物理参数（例如薄膜厚度和均匀性），还与过程（干燥的时间和环境等）息息相关。通过对比，许多旋涂过程，例如光刻胶的应用，最终的结果与确定的设定参数并非完全相关。因此，在技术的应用过程中，需要注意研究技巧的变化。

尤其，当旋涂法在工业中应用时，建议旋涂速度要大于1000rpm，这样才能满足最佳的薄膜均匀度。但是，在有机电子和纳米技术中，旋涂速度需要低于200rpm，这样才能减缓干燥过程，从而为自组装过程提供充足的时间。工业工程师可能并不认为该过程属于旋涂，但是这种类似于“伪旋涂”的过程却能有效地实现薄膜有序组装和自组装。

下图展示的就是，液滴在没有旋转的状态下，可以提供纳米尺度高度有序薄膜的组装，但是也会造成整体的薄膜并不均匀。

1、溶液中的小分子随着溶剂的挥发，会在液体内部移动。

2、液滴随着溶剂的挥发，尺寸会不断缩小，内部液流就会是小分子在液滴边缘析出。

3、缓慢的挥发过程可使小分子在边缘组装成均匀有序的薄膜。

4、但是，纵观整个薄膜，由于咖啡环效应，并不是一个连续的均匀的整体。

而低速的旋涂过程，是有可能将液滴挥发过程中产生的高度有序组装和旋涂薄膜的均匀性结合起来。

还有一个问题是，有些实验环境需要再非常小的基底上旋涂，需要用到一些特殊的环境空间中，例如手套箱中，其可以提供一个隔水，隔氧，充满氮气的环境，因此旋涂的量也需要小。而且小量的旋涂，对于氯化和腐蚀性溶剂的应用时也是有好处的。这里会介绍旋涂过程遇到的各类问题。

对于绝大部分的应用，薄膜的厚度是主要的考虑因素。

首先就需要考虑，是选用哪种的旋涂方式，动态的还是及静态的。

静态过程之前提到，就是在旋转开始之前，溶液就要铺满整个基底片子。然后，离心力就从溶液的中心开始驱动其铺满整个片子，直到干燥为止。

通常，运用移液枪的目的就是在基底表面滴加确定量的溶液。

旋涂小尺寸基底和晶片

下面视频里展示的就是旋涂小尺寸的异型基底（硅晶圆片），很多的小尺寸基底因为旋涂机的真空吸附卡槽构型问题，难以实际应用。

因此旋涂记得真空吸附卡槽需要设计的可以满足各种构型的基底片子使用，尤其是一些尺寸特别小，不规则的晶圆片子。总的来说，这要基底能将真空卡槽的中心区域覆盖即可，这样离心力材料对整个片子进行有效地作用。但是，静态旋涂就没那么必要（注：原文虽然这么说，但是我觉得并不是，静态同样需要将离心力尽量集中在中心未知，否则还是会产生定向的离心力，还是会导致薄膜不均匀，有点类似于非中心离心，会产生偏离中心的定向力，如果基底尺寸非常小，差别可能不大）。

真空吸附的卡槽是可以自己设计的，他们公司就可以提供设计。

自动化的滴液

在有些情况下，手动的滴加溶液并不适用，例如以下情况：

1、需要再特定的时间滴加溶液。

2、需要以特定的速率滴加溶液。

3、底图多层薄膜时，如果过程复杂又耗时。

4、两层薄膜的底涂间隔时间短，手动操作达不到的情况。

这些情况下，溶液的滴加就需要用到自动化的设备，可以使用注射泵。注射泵可以在设定时间内以一定的速率滴加溶液，精度和准确度都非常高且可控。其调控速度从0.1nL/s到10mL/s的范围，其两滴溶液的时间间隔可以最低可以到10ms以内，从而解决手动难以实现的精度。

注射泵

当底加多种溶液时，注射泵是非常有效的设备，以下距需要用到离多重溶液的情况。

1、多层结构的薄膜，需要多层的旋涂，例如分布式布拉格反射器（distributed Bragg reflector），就可以通过注射泵快速，可重复的制备。

2、需要清洗基底，从而在旋涂溶液之前，增强基底的浸润性，在一中溶剂挥发过程中，有助于显著提升溶液的浸润性。

3、当表面清洗时，已经沉积一层薄膜的表面清洗时，其中，干燥或者半干燥的薄膜可以通过溶剂的清洗去改善表面的性能，从而提升薄膜的表面形貌结构。当沉积PEDOT:PSS时，就可以通过甲醇或者DMSO进行清洗，从而提升薄膜的导电性。

4、淬火已经沉积的薄膜。通过反溶剂液流去淬火已经沉积的薄膜，可以实现材料的快速沉积。注射泵不仅可以用来提供在任何时间产生淬火过程，还能控制速率，比手动精确度要高。

超低速旋涂和覆盖干燥

前文提到，当旋涂速度低于1000rpm时，会引起薄膜出现不均匀现象，若低于500rpm，那么问题就会更加的糟糕。但是，还是有希望在低速实现均匀薄膜的构筑的，但一致性不能保证。

在一些案例中，旋涂的速度甚至低于120rpm。尽管不能将其完全视为旋涂法，但是旋涂的过程还是能提供一些离心力，从而提升薄膜的均匀性。这种情况还要确保基底完全水平状态，溶液不能因为倾斜角度在基底上移动，而且整个过程可能需要5-10分钟时间。

左图1000rpm薄膜的均匀性，右图为300rpm。

而且，在极低速度的旋涂还需要考虑边缘液珠的去除问题。

正如前文提到的，缓慢的薄膜干燥过程允许自组装过程的发生，但会引起薄膜不均匀。另一方法，当溶剂的沸点比较高，且浸润性差时（高沸点的溶液一般分子间作用力也强，表面张力就高），最终的薄膜比较薄（溶液就会有足够的时间移动的基底的边缘）。

混合溶剂的旋涂过程

通过混合两种溶剂的运用，可以优化旋涂薄膜的均匀性。主溶剂可以用蒸发速度快的，而次溶剂可添加些挥发速度比较慢的溶剂。混合溶剂更综合两者的优势，旋涂过程中，主溶剂快速的挥发是溶液能很好地以厚液膜的形式铺满基底。随后剩下的次溶剂缓慢挥发，就有足够的时间，在薄膜干燥之前让小分子进行自组装。

溶剂A：如果用的是低沸点的溶剂，也就是挥发速率比较快，薄膜沉积是比较容易，但是沉积的薄膜一般是混乱状态，没有组装现象发生。

溶剂B：如果是高沸点溶液，也就是挥发速率很慢，此时薄膜就难以沉积，这是因为溶液还没来得及浸润铺展，就被甩到边缘，甩出基底。

溶剂A+B：如果用的是混合溶剂，其中主要成分是低沸点溶剂，次要成分是高沸点溶剂。此时，主要溶液快速挥发，溶液首先能沉积成湿态的塑化膜，然后该薄膜难以在继续退浸润，其中的小分子就有足够的时间实现自组装。

很好的离子就是旋涂P3HT（太阳能电池中常用的一种聚合物活性层）作为OFETs。纯氯苯比纯三氯苯溶剂效果差，虽然三氯苯稍微好点，但是浸润性又不行，导致表面非常的粗糙。因此，一般配比98%的氯苯，2%的三氯苯，就能提升浸润性，从而提升旋涂薄膜的质量。

薄膜干燥过程和薄膜质量的视觉评估

旋涂过程的好坏，首先要学会用眼睛观察，这点比较实用。

虽然，光学显微镜，电子显微镜，AFM，STM都可以观测和评估薄膜的质量和纳米结构。台阶仪和椭偏仪可以测量薄膜的厚度和粗糙度。但是，这些方法都比较慢，还有可能破坏样品，而且过程还比较复杂，还有可能等待时间长（排队仪器小伙伴们的心酸！）这些方法并不适合每一个片子和每一个平台做出来的结果。

用眼睛观察其实是一个非常实用又高效的办法，可以快速地观察到细微的不同。通过一定和训练和在特定的光照下，通过肉眼观察薄膜的颜色，可以分辨出来5nm厚度的变化。因此，通过视觉检查薄膜浅，你需要掌握一下的技巧，从而提升鉴别能力：

1、薄膜看起来均匀吗？

2、薄膜的颜色是正常的嘛（在当前厚度下）？

3、薄膜的表面有没有玻璃化，具有平滑的光泽还是粗糙的？

4、表面有没有存在聚集？

5、薄膜上有没有孔或者条纹出现？

除此之外，恰好的光线也是必备条件，不管是旋涂过程中还是干燥后的薄膜观测，对边薄膜是否已经干燥。在一些例子中，尤其是共轭聚合物，就比较明显，因为干燥薄膜的颜色会发生变化。但有些例子中，颜色的变化就没有那么的明显。

但是，当薄膜干燥后，它的厚度会从比较厚的湿态膜，可能几百个微米，变成干燥时的几百个纳米。该情况下，薄膜的厚度和可见光波长就有定向关系，反射性能和干涉会成线性关系。因此，即使是透明的材料和透明的溶剂，颜色也会随着厚度的降低发生变化，当薄膜颜色稳定时，即薄膜是干燥状态。但也要注意，有些溶剂很难挥发，需要长时间等待。

以P3HT溶解在三氯苯中为例子

三氯苯在硅片上旋涂

环境条件和干燥时间的变化

对于很多有机电子和纳米技术的应用上，干燥时间和薄膜质量是相关联的，因此，环境条件是非常重要的一个参数。超净间是很好的控制环境条件的设施，比如温度和湿度。手套箱也是常用来给定一个纯的氮气环境。但是，一般的实验室还是难以达到这种条件，这里就举例一些极端条件的例子。

在英国夏天，室温的湿度的跨度可以从不到20%，直到100%变化，主要基于天气变化。在湿度比较大的天气，一般是暴雨天，水溶液的样品30s后可能还是湿润状态，这样就严重影响最终器件的性能。因此，尽管实验室可能已经尽量的控制温度和湿度问题，但是还是需要再实验台前放置温度湿度计，从而时刻监控环境条件。

如果多次旋涂大表面积基底，需要融到大容量的溶剂，超过100μL时，之前的溶液就会在旋涂机的废液区域挥发，从而影响当前的环境条件，增加饱和蒸气压，也会提升干燥时间。最好的解决方法就是将其擦干，在继续下次旋涂。

旋涂清洗步骤

旋涂法同样可以用来清洗基底片子，但是效果其实没有超声清洗好，速度也慢。而且还需要耗费大量的溶液，还没影响环境。

但是，确实有些地方旋涂清洗还是有用的，比如HMDS可以通过旋涂清洗对表面进行修饰。同时，还可以通过半正交的溶液去除某些添加剂。

旋涂清洗时，一般通过动态旋涂过程，20×15mm的片子一般用50μL溶剂，一般多清洗几遍。但是也要注意，这样操作会造成环境中的蒸汽压升高，所以要及时去除溶剂。

网站链接：https://www.ossila.com/en-cn/pages/spin-coating#practical-spin-coating-tips

钙钛矿学习与交流

追踪钙钛矿研发情况，钙钛矿产业化进程；分析行业发展及趋势；赋能上下游企业供需对接、人才招聘、解决方案

28.06%！协鑫光电2048cm²钙钛矿叠层组件光电转换效率跃升

南昌大学获批1项国家重点研发计划“战略性科技创新合作”重点专项项目

31.5％！台湾省中央研究院钙钛矿叠层太阳能电池组件效率新突破！

合同签订到订单交付仅用时10天！仁烁光能再度交付 1MW 钙钛矿光伏组件！

【1.19钙钛矿周报】光因、明阳、柔烁、晋能等相继发布效率报告，西湖阳光获种子轮投资，北卡罗来纳黄劲松、北大周欢萍等研发进展

钙钛矿太阳能技术向柔性化转变的研究进展-北卡罗来纳大学教堂山分校黄劲松团队AM综述

金晶科技：TCO玻璃成功应用全球首个商业化运行的兆瓦级钙钛矿地面光伏项目和全球首个钙钛矿渔光互补电站

刷新纪录！南开大学袁明鉴课题组年初实现超过27%的钙钛矿太阳能电池器件效率认证

【招聘】佛山仙湖实验室院士团队招聘钙钛矿薄膜光伏专家的启事

日本资源能源厅部长井上博雄：加大引入可再生能源力度之展望，日本主导的创新钙钛矿电池是有希望的种子！

刮涂法利用流体平衡剂控制流体界面动态重建以实现可扩展的高效钙钛矿太阳电池华南师范大学高进伟&高兴森&‪王祯团队AM

【实验交流】影响迟滞的参数

招聘启事 | 深圳理工大学院士工作站-材能学院博士后/科研助理教授招聘（安全长时储能技术领域）

前沿进展 | 狄大卫、邹晨、赵保丹团队在《Science Advances》发文报道室温连续波钙钛矿极化激元激光

中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司青海共和5MW钙钛矿光伏实证基地可研及设计服务采购询价

通用钝化剂，26.28%效率！河北工大陈聪&昆明理工陈江照&澳门科技唐建新&阜阳师范张甲甲&中科院汪洋&复旦张鸿

溶液法制备薄膜-旋涂法（Spin-coating）的基本原理及操作教程（五）

【招聘】润世华新能源股份有限公司招聘钙钛矿光伏组件开发工程师

操作指南！基于化学溶液的组分工程制备高性能锡卤化物钙钛矿薄膜晶体管的实验方案

溶液法制备薄膜-旋涂法（Spin-coating）的基本原理及操作教程（四）

【实验交流】钙钛矿常见问题分析薄膜发雾？

32.3%！明阳薄膜钙钛矿/HJT叠层电池效率重大突破“高效钙钛矿及其叠层电池的研究与开发”通过中山2025年重大科技专项评审

宁德蕉城|推动宁德时代钙钛矿电池等中试园区项目建设

收藏!钙钛矿光伏器件测试中的J-V异常分析！

溶液法制备薄膜-旋涂法（Spin-coating）的基本原理及操作教程（三）

中科院新疆理化所刘家凯-中科院上海微系统所刘文柱联合招聘钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池丝路青年人才、特别研究助理、博士后启事

26.50%!光因科技钙钛矿单元电池光电转换效率四刷世界纪录

“举全市之力”支持中国乐凯改革创新，柔性钙钛矿项目是重点

九江日报报道柔烁光电柔性钙钛矿太阳能电池及组件效率分别达26.61%、19.71%

退火工艺参数对钙钛矿太阳能电池中薄膜质量的影响

钙钛矿太阳能电池中激光技术的研究与应用

【钙钛矿人物】迈出“实验室” 跃上“生产线”——永珈光能掌门人余桢华和他的钙钛矿电池孵化故事

机会！巨头入场央企华润启动钙钛矿实验室合作-华润水泥技术研发有限公司发布钙钛矿实验室合作-询比价公告

2025年钙钛矿产业化第一笔投资落地！西湖大学年轻博导王睿创立的西湖阳光获种子轮投资！

直击CES2025拉斯维加斯国际消费类电子产品展览会现场：西湖阳光最新钙钛矿产品展出！

日本電気通信大学沈青教授课题组招收钙钛矿及量子点合成化学，光物理(载流子动力学)及应用（光伏，LED）方向的博士生

全球最大（1.2×1.6平米）一体化成型柔性钙钛矿光伏组件在脉络能源下线

【1.12钙钛矿周报】永珈光能、协鑫光电、晶科能源等三家官宣效率突破，南大谭海仁&北大周欢萍等钙钛矿研发取得进展

【实验交流】清洗玻璃基底要彻底，去除污染物、改善附着力、保证电学性能、确保可重复性和一致性！

溶液法制备薄膜-旋涂法（Spin-coating）的基本原理及操作教程（二）

解决咖啡环效应！通过对SnO2表面粗化处理，构建Wenzel模型，超亲水界面获得高效稳定钙钛矿电池南昌大学陈义旺&胡笑添团队

晶体取向控制助力全钙钛矿叠层太阳能电池效率为突破29%。

[溶液法制备薄膜]-旋涂法（Spin-coating）的基本原理及操作教程（一）

Science | 北大材料学院周欢萍团队和张艳锋团队在钙钛矿太阳能电池方面取得新进展

Wiley旗下Progress in Photovoltaics诚征钙钛矿太阳能电池稳定性相关稿件！

武大徐红星院士&王倜&柯维俊揭示锡铅钙钛矿电池中辐照和相重构之间的联系提出营造富碘环境、优化锡添加剂浓度和消除锡不均匀性等解决

为何在纳米氧化镍溶液中添加双氧水

【钙钛矿人物】视频专访85后南京大学科家仁烁光能董事长谭海仁

总投资12亿！渭南市华州区博雅洁能钙钛矿产业项目签约落地

分类

时事

民生

政务

教育

文化

科技

财富

体娱

健康

情感

旅行

百科

职场

楼市

企业

乐活

学术

汽车

时尚

创业

美食

幽默

美体

文摘

原创标签

时事社会财经军事教育体育科技汽车科学房产搞笑综艺明星音乐动漫游戏时尚健康旅游美食生活摄影宠物职场育儿情感小说曲艺文化历史三农文学娱乐电影视频图片新闻宗教电视剧纪录片广告创意壁纸头像心灵鸡汤星座命理教育培训艺术文化金融财经健康医疗美妆时尚餐饮美食母婴育儿社会新闻工业农业时事政治星座占卜幽默笑话独立短篇连载作品文化历史科技互联网

发布位置

广东北京山东江苏河南浙江山西福建河北上海四川陕西湖南安徽湖北内蒙古江西云南广西甘肃辽宁黑龙江贵州新疆重庆吉林天津海南青海宁夏西藏香港澳门台湾美国加拿大澳大利亚日本新加坡英国西班牙新西兰韩国泰国法国德国意大利缅甸菲律宾马来西亚越南荷兰柬埔寨俄罗斯巴西智利卢森堡芬兰瑞典比利时瑞士土耳其斐济挪威朝鲜尼日利亚阿根廷匈牙利爱尔兰印度老挝葡萄牙乌克兰印度尼西亚哈萨克斯坦塔吉克斯坦希腊南非蒙古奥地利肯尼亚加纳丹麦津巴布韦埃及坦桑尼亚捷克阿联酋安哥拉