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

文摘 2025-01-16 22:33 浙江

常见薄膜缺陷的预防措施

两步法旋涂和角落/边缘液珠去除

当旋涂粘度高或者高沸点的溶剂时，例如在非常低的速度（低于500rpm）旋涂三氯苯时，位于基底中央区域的溶剂会比边缘区域的挥发速率高的多。中央区域的溶剂在几秒中之内就已经干燥，而一些例子中边缘地区的溶剂需要花费几分钟的时间才能完全干燥。一般情况下，基底的边缘并没有设计特殊的组分或者结构，如果旋涂停止，边缘/角落的液珠就会向中心区域铺展，从而影响整个薄膜的质量。

边缘液珠回流导致整个薄膜不均匀。

有两种方案可以去除掉边缘/角落的液珠。第一，也是最有效的方法是，通过两步法旋涂，第一步先设置好程序实现想要得到的薄膜厚度，设施充足的时间让大部分的薄膜进行干燥，随后第二步将转速调制最大的rpm，将边缘的液珠甩出基底，在让剩下的进行干燥。

两步法实现均匀薄膜制备

大部分时候，两步法都是每场简单且实用的去除边缘液滴的方法，从而提升旋涂薄膜的均匀性。但是，确实还存在一些情况，第二不甩出溶液的过程（也就是告诉过程）不是那么管用，例如，薄膜有时还会存在一些湿润的现象时，且需要用于之后的过程时，这种方案便不适应，例如甲醇清洗，真空干燥或者在饱和的溶剂蒸汽环境下缓慢干燥。这些情况下，需要用到一些更加复杂的方式才能取出边缘的液珠，例如可以在旋转的过程中，用棉签吸走额外的溶液量。

用棉签吸取边缘的液珠，这种方法提升薄膜质量，需要多加练习，但是比较实用。

通过棉签吸取边缘溶液的方法中，如果想要避免把基底敲飞或者损坏主要区域的薄膜，需要注意一下几点：

1、要尽量缓慢的接近基底。

2、将手放在盖子上来稳定手的抖动，通过盖子上的中心孔将棉签稳定地伸入。

3、不要真的将棉签触碰到基底上，利用棉签的尖端放置在基底边缘上方一点点的距离处，吸附到液珠边缘即可，不要触碰基底。

4、时刻注意棉签的移动状态，即使轻轻地触碰到基底，都会导致棉签震动，你是可以感受到这个震动的。

5、观测棉签的变化。许多有机或者纳米材料油墨都是有颜色的，当棉签吸收油墨时，眼睛是能观测到变化的。

6、尽量让棉签接近基底的边缘区域。

如何避免薄膜中央孔洞的出现

旋涂的新手们总会发现在旋涂薄膜的中央会出现孔洞，也就是没有材料在中央沉积，例如下图所示：

这种现象主要是因为中央区域并没有油墨在此沉积。因为离心力总是趋向于使油墨液流向基底边缘移动，导致中央区域没有材料沉积。这时，尽量地将溶液滴加在基底的中心区域就可以避免此现象发生。值得注意的是，通过盖子中央的孔洞引导着移液枪进行滴涂是更容易精确地滴加在中央区域的。

如何避免由真空吸附引起的薄膜扭曲变形

很多旋涂仪通过真空吸附的方式来稳定基底。真空吸附有时会导致旋涂稳定问题（真空有时会吸附到油墨和溶剂），而且它也会导致基底微小的扭曲变形，致使薄膜不均匀现象发生。这个问题主要是与基底的厚度，真空吸附力和吸附孔的大小有关。

基底的机械刚度需要与厚度的立方成正比，也就是说1.1 mm厚的刚度将是0.55 mm基底的8倍。总的来说，基底扭曲的原因是它的厚度小于1mm，而且在低速旋转下，情况会更加糟糕，因为离心力太小。

真空扭曲的原因也就是为什么他们公司用的都是卡槽，而非真空吸附的。这样的目的可以进一步提升薄膜的均匀性。他们通过设计特定的卡槽将基底机械性地固定在顶端。这种方式确实很有效，还避免真空机出现各种麻烦问题，因此最近比较流行。

旋涂柔性基地PET

尽管可以运用柔性基底PET制备各类器件，如OLEDs（有机发光二极管）和OPVs（有机光伏）器件，但是还可以实现一些极端条件，例如旋涂石蜡膜基底（也就是我们常用的封口膜，确实厉害）。一开始并没有想到能成功，但是经过不断尝试，不需要真空吸附的旋涂机是可以实现柔性基底的旋涂的（话说，真空吸附也挺难的吧！）。

以封口膜作为基底进行旋涂

以下技巧能帮助提升真空吸附造成的扭曲问题：

1、运用更加厚的基底。

2、使用更加快的旋转速度。

3、可以将薄的基底安置在厚的载体上，再进行旋涂。

旋涂低粘性的溶剂

当旋涂粘性的溶剂会对薄膜的均匀性造成损坏。有些特定粘度的溶剂是在研究领域经常会用到的，因为粘度太低的溶液同样会造成很多问题。例如氯仿和丙酮这类溶剂，就会出现以下两个主要问题：

1、还没有开始滴涂时，溶液就已经从移液枪里滴出来。

2、在湿态薄膜还没完全形成之前，薄膜已经干燥，导致最终薄膜呈现螺旋状。

如果要考虑油墨从移液枪中漏出的问题，就要选择小一些尺寸的移液枪头，这样枪头的孔径就比较小，能降低溶液的泄露现象。此时，移液枪携带的溶液量也就小，会降低溶液重量和其表面张力的比例（例如，10μL的溶液和20μL溶液的表面张力差不多，但是重力少一半。）

如果溶剂含有卤素化的（如氯仿），它能使移液枪的针头在几秒钟内留住溶液。因为大多数移液管针头是由聚丙烯制成的，它虽然不会溶解在卤化溶剂中，但会有轻微的溶胀，从而降低孔径的有效直径。

滴涂20μL的氯仿，一开始会漏出，如果超过10s，溶液就不泄露了。

这个技巧对于非卤化的溶剂，例如丙酮是没有用的，因为它们不会使聚丙烯溶胀。此时，可以通过将移液枪倾斜一定的角度，降低重力和表面张力的比例，在即将要滴涂时在迅速地将移液枪垂直回来。此时，需要注意倾斜的角度，不要让溶液进入到移液枪中，这样会损坏移液枪的。

基底上不完整薄膜的问题

油墨在基底上的浸润，主要是液体与基底的接触角判断的。小的接触角意味着良好的浸润性（溶液更加倾向于铺满整个基底），若接触角大，就说明浸润性差（油墨会呈球状）。

荷叶上的液滴就是比较差的浸润性，而红酒里的乙醇能帮助其更好的浸润。而一般情况下，接触角90°是好和差浸润性的交接点，浸润性不好，薄膜就难以沉积。

接触角的大小取决于溶液的表面张力和基底的表面能。具有高表面张力比低的的液体更倾向于团呈一个球。同时，基底的表面能如果高的话比低的更容易吸引油墨的铺展。

一些油墨和基底的组合就非常容易使油墨铺展到整个基底的表面，而另一些就比较，更容易成个球状。一些极端的例子中，甚至一滴溶液都铺展不到基底上。更多的情况是溶液难于在基底表面形成完整的湿态薄膜，而是个别部分具有。

最简单的解决方法是滴加更多的溶液上去，例如标准的20×15mm基底，通过增加移液枪的量从20到50，甚至到100μL。然后也可，通过增加油墨的温度，滴涂更加热的溶液有助于降低其表面张力，提升挥发速率，因此降低溶液在基底表面的退浸润时间。

但是，如果以上的方式都不奏效，就需要更换油墨的溶剂，尝试一些表面张力更加低的溶剂，或者对基底的表面进行处理，例如UV/臭氧或者氧等离子处理，增加基底的表面能（值得注意的是，这并不适合某些有机晶体管器件，因为基底的低表面能是高性能的关键）。

孔洞缺陷和彗星条纹现象

基底在物理及化学方面的洁净性是制备均匀薄膜的关键点，对于任何方法都是的。对于旋涂来说，灰尘和微小颗粒是主要的造成孔洞和条纹的问题，但是也有可能是油墨中的纳米颗粒造成的。

去除灰尘和微小颗粒最有效的方式是使用电子级洗涤剂，如Hellmanex III。但是，去掉基底表面的残留物也是很重要的一部，通过一些半极性的溶剂如丙酮/异丙醇进行清洗。最后，一些化学方法处理基底也是有必要的，例如通过NaOH基准溶液或者氧等离子/紫外臭氧处理，使基底上携羟基-OH终端，从而提升溶液沉积过程。这是大部分基底处理的常见流程，通过标准的NaOH氢氧化钠溶液产生表面-OH终端是比较简单的。但是对于硅片来说，却会破坏其表面，因此硅片最好还是用氧等离子清洗仪进行处理。

一旦基底进行清洗，可以将其放入干净的环境（一般为去离子水中）避免灰尘的再次污染。以上的步骤都是必要的，因为表面灰尘甚至会改变基底表面的表面能，从而会造成旋涂时孔洞的出现，如下图所示：

聚集和过滤

对于许多有机电子或者纳米材料的油墨，经常会出现聚集或者结晶现象，导致溶液性不好，从而影响旋涂过程。这也会造成薄膜表面彗星条纹或者大面积的聚集现象。

总的来说，加热或者搅拌溶液会提升活性材料的溶解性，然后通过降温和过滤的手段去除掉聚集和未溶解的部分，这样就能提升最终器件的性能。在下面的例子中，通过过滤溶液可以显著的提升OFETs和OPVs器件的性能。

用的材料是P3HT:PCBM

但是，很多材料的溶液并不怎么稳定，还会出现重新聚集合着结晶的现象，例如下面P3HT薄膜，PCBM结晶和F8BT的聚集，当油墨放置几小时或者几天之后这些现象就会出现，

图片依次是，第一副图是显微镜下PCBM的洁净，其中溶液放置几个星期。第二幅图是通过原子力表征的P3HT聚集现象，溶液放置90分钟。最后一副是运行中的OLED的F8BT聚集现象，低速旋转立即过滤的溶液依旧会出现聚集。

在一些例子中，可以通过在溶解的方式，通过再次的加热和搅拌，而且是值得再次进行过滤处理的。但是，在某些例子中，如PCBM，其结晶能很高，因此难以再次溶解，因此需要再次重新配置溶液。

但是，在过滤任何溶液前，需要好滤头的尺寸。对于聚合物材料，PCBM和更小的纳米颗粒（一般要小于20nm），是没有任何问题的。但是大尺寸的纳米颗粒或者石墨烯片子，是会被滤头给过滤掉的，从而导致只剩溶剂而没有溶质了。

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