一種研究氧化鋅摻鎵陶瓷最佳燒結(jié)工藝和最佳摻雜濃度的方法
【專利摘要】一種研究氧化鋅摻鎵陶瓷最佳燒結(jié)工藝和最佳摻雜濃度的方法屬于導(dǎo)電陶瓷的制備領(lǐng)域。將ZnO、Ga2O3粉料按化學(xué)式GaxZn1-xO其中x值為在0-1范圍內(nèi)的某一定值，進(jìn)行配料，經(jīng)球磨和烘干后，取粉料進(jìn)行差熱分析，確定最佳預(yù)燒溫度；以某一定時(shí)間作為燒結(jié)時(shí)間，確定最佳燒結(jié)溫度；在確定的最佳燒結(jié)溫度基礎(chǔ)上，改變不同的燒結(jié)時(shí)間，燒結(jié)一系列樣品；將燒結(jié)后的樣品進(jìn)行處理，并進(jìn)行密度和電學(xué)性能測(cè)試，確定最佳燒結(jié)時(shí)間；在前面確定的最佳燒結(jié)工藝情況下，燒結(jié)一系列不同組分的陶瓷GaxZn1-xO；將燒結(jié)后的樣品進(jìn)行處理，并進(jìn)行XRD和電學(xué)性能測(cè)試，確定鎵摻雜氧化鋅陶瓷最佳濃度。本發(fā)明提供一種傳統(tǒng)燒結(jié)方式下的、周期短、耗能低、高致密性和低電阻率的GZO陶瓷的工藝。
【專利說明】一種研究氧化鋅摻鎵陶瓷最佳燒結(jié)工藝和最佳摻雜濃度的 方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于Gaxzni_ x0 (簡(jiǎn)稱GZ0)導(dǎo)電陶瓷的制備領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] GZ0陶瓷由于其優(yōu)良的性能，而廣泛應(yīng)用于閃爍材料、導(dǎo)電陶瓷、濺射靶材等。目 前氧化鋅摻鎵陶瓷最普遍的一個(gè)應(yīng)用就是用于制備透明導(dǎo)電薄膜的濺射靶材，用其制備的 GZ0薄膜具有較大的禁帶寬度（約3. 3eV)，有與IT0薄膜相媲美的電學(xué)和光學(xué)特性，因此可 廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能電池、壓電器件、液晶顯示等領(lǐng)域；而制備ZnO的原料豐富，價(jià)格低廉，制 備成本較低，對(duì)環(huán)境無(wú)毒無(wú)害，熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性都比較好，使其在材料的應(yīng)用領(lǐng)域不 斷擴(kuò)展，因此是一種最具潛力的取代IT0的材料之一。GZ0陶瓷的品質(zhì)如純度、密度、電阻 率、晶粒大小及分布等，將直接關(guān)系到氧化鋅摻鎵薄膜性能的優(yōu)劣。GZ0陶瓷靶材的制備同 IT0靶材一樣，技術(shù)難度大，核心技術(shù)基本掌握在美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家。國(guó)內(nèi)目前在該領(lǐng)域?qū)?于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，工業(yè)生產(chǎn)所需GZ0陶瓷靶材基本仍依賴進(jìn)口，因此確定GZ0陶瓷的最佳 燒結(jié)工藝以服務(wù)于科研和工業(yè)生產(chǎn)迫在眉睫。另外，確定最佳摻鎵濃度的氧化鋅陶瓷，對(duì)于 材料的性能研究非常具有參考價(jià)值，但是關(guān)于這方面的報(bào)道也很少。近些年來，關(guān)于GZ0類 的文章發(fā)表較多，主要集中于薄膜材料，其中陶瓷類的文章發(fā)表較少，對(duì)于GZ0陶瓷的性能 研究相對(duì)較少。
[0003] 文獻(xiàn)一 ：2012年，吳木營(yíng)等人利用高溫固相反應(yīng)法制備了鎵摻雜氧化鋅導(dǎo)電陶 瓷。他們得出，GZ0導(dǎo)電陶瓷的最優(yōu)工藝條件是，預(yù)燒溫度700°C、燒結(jié)溫度1300°C、摻雜濃 度為摩爾比2%。但是文章中報(bào)道的，最低電阻率0. 1 Q ?〇!!導(dǎo)電效果不佳、根據(jù)5個(gè)組分配 t匕，選擇最佳摻雜濃度，系統(tǒng)性不強(qiáng)。（吳木營(yíng)，劉敏霞，李洪濤，楊雷，張偉風(fēng)，制備條件對(duì)鎵 摻雜氧化鋅薄膜的透明導(dǎo)電性影響，河南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012,42(6) :707-711)
[0004] 2009年，J. P. Wiff等人利用高溫固相反應(yīng)法燒結(jié)了三個(gè)組分的鎵摻雜氧化鋅陶 瓷（0? 2at%、0. 5at%、lat% )，燒結(jié)工藝為1400°C、10h。文中陶瓷的燒結(jié)工藝比較繁雜，并 且燒結(jié)溫度較高，沒有研究陶瓷的最佳燒結(jié)工藝，主要是氧化鋅摻鋁和氧化鋅摻鎵陶瓷性 能進(jìn)行對(duì)比。（J.P. Wiff, Y.Kinemuchi，K. Watari，Hall mobilities of Al-and Ga-doped ZnO polycrystals, Materials Letters 63(2009)2470 - 2472)
[0005] 2009年，M. S. Jang等人利用高溫固相反應(yīng)法燒結(jié)了六個(gè)組分的鎵摻雜氧化鋅陶 瓷（0? 0at%、0. lat%、0. 5at%、l. 0at%、2. 0at%、3. Oat% )，燒結(jié)工藝為 130(TC、10h。他 們發(fā)現(xiàn)當(dāng)鎵摻雜摩爾比為〇.5at%時(shí)，陶瓷擁有最低電阻率，數(shù)值大約為1.0Q ? cm。雖 然文中報(bào)道了最佳摻雜濃度為〇.5at%，但是陶瓷電阻率太大，并且配置的組分不夠精細(xì)。 (M. S. Jang, M. K. Ryu, M. H. Yoon, S. H. Lee, H. K. Kim, A. Onodera, S. Kojima, A study on the Raman spectra of Al-doped and Ga-doped ZnO ceramics, Current Applied Physics 9(2009)651 - 657)


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種傳統(tǒng)燒結(jié)方式下的、周期短、耗能低、高致密性和低電 阻率的GZ0陶瓷的最佳燒結(jié)工藝和最佳摻雜濃度的制備工藝。
[0007] 本發(fā)明是通過以下方案實(shí)現(xiàn)的
[0008] (1)將Zn0、Ga203粉料按化學(xué)式Gaxzni_x0其中X值為在0-1范圍內(nèi)的某一定值，進(jìn) 行配料，經(jīng)球磨和烘干后，取粉料進(jìn)行差熱分析，確定最佳預(yù)燒溫度；
[0009] (2)以某一定時(shí)間作為燒結(jié)時(shí)間，改變不同的燒結(jié)溫度，燒結(jié)一系列樣品；將燒結(jié) 后的樣品進(jìn)行處理，并進(jìn)行密度和電學(xué)性能測(cè)試，確定最佳燒結(jié)溫度；
[0010] (3)在確定的最佳燒結(jié)溫度基礎(chǔ)上，改變不同的燒結(jié)時(shí)間，燒結(jié)一系列樣品；將燒 結(jié)后的樣品進(jìn)行處理，并進(jìn)行密度和電學(xué)性能測(cè)試，確定最佳燒結(jié)時(shí)間；
[0011] (4)在前面確定的最佳燒結(jié)工藝情況下，燒結(jié)一系列不同組分的陶瓷Gaxzni_x0 ;將 燒結(jié)后的樣品進(jìn)行處理，并進(jìn)行XRD和電學(xué)性能測(cè)試，確定鎵摻雜氧化鋅陶瓷最佳濃度。
[0012] 一種研究氧化鋅摻鎵陶瓷最佳燒結(jié)工藝和最佳摻雜濃度的方法，其特征在于：
[0013] (1)將ZnO、Ga203粉料按化學(xué)式Gaa.Jn^sO進(jìn)行配料，經(jīng)球磨和烘干后，取粉料 進(jìn)行差熱分析，確定最佳預(yù)燒溫度為1150°C預(yù)燒時(shí)間為9h;
[0014] ⑵以l〇h作為燒結(jié)時(shí)間，改變不同的燒結(jié)溫度，燒結(jié)一系列樣品；將燒結(jié)后的樣 品進(jìn)行處理，并進(jìn)行密度和電學(xué)性能測(cè)試，確定最佳燒結(jié)溫度為1325°C;
[0015] (3)在確定的最佳燒結(jié)溫度基礎(chǔ)上，改變不同的燒結(jié)時(shí)間，燒結(jié)一系列樣品；將燒 結(jié)后的樣品進(jìn)行處理，并進(jìn)行密度和電學(xué)性能測(cè)試，確定最佳燒結(jié)時(shí)間為4h;
[0016] (4)在前面確定的最佳燒結(jié)工藝情況下，燒結(jié)一系列不同組分的陶瓷GaxZni_x0;將 燒結(jié)后的樣品進(jìn)行處理，并進(jìn)行XRD和電學(xué)性能測(cè)試，確定鎵摻雜氧化鋅陶瓷最佳濃度為 0? 5at%〇
[0017] 氧化鋅摻鎵陶瓷材料的制備方法，其特征在于：
[0018] 將ZnO和Ga203粉料按Gaa._Zna._0配比進(jìn)行稱量后，在1150°C的溫度下預(yù)燒9h; 將預(yù)燒后的將粉料制成陶瓷坯體；以100°c/小時(shí)升溫速率，于550°C排膠3h，之后將溫度 升高到1325°C保溫4h，將樣品一次燒結(jié)成瓷。
[0019] 與現(xiàn)有工藝相比，本發(fā)明工藝的明顯優(yōu)點(diǎn)
[0020] (1)采用固相燒結(jié)方式，通過系統(tǒng)地實(shí)驗(yàn)，確定了最佳燒結(jié)溫度和最佳燒結(jié)時(shí)間等 工藝參數(shù)，為GZ0陶瓷的工業(yè)化生產(chǎn)提供了參考
[0021] (2)通過一系列的不同組分實(shí)驗(yàn)，確定了鎵摻雜最佳濃度，為生產(chǎn)性能最佳的GZ0 透明導(dǎo)電薄膜提供了參考。
[0022] (3)本工藝相對(duì)于現(xiàn)有工藝，具有一次燒結(jié)成瓷，制備周期短的特點(diǎn)，還具有燒結(jié) 溫度相對(duì)較低、保溫時(shí)間短、耗能低的特點(diǎn)。此優(yōu)點(diǎn)適于工業(yè)化生產(chǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1燒結(jié)時(shí)間為10h時(shí)，不同燒結(jié)溫度下的Ga_5ZnQ.9950粉料XRD圖譜
[0024] 圖2燒結(jié)溫度為1325°C時(shí)，不同燒結(jié)時(shí)間下的Ga_5ZnQ.9950粉料XRD圖譜
[0025]圖3最佳燒結(jié)工藝下的，部分摻鎵濃度的陶瓷粉料XRD圖譜

【具體實(shí)施方式】
[0026] (1)將 Zn0(99. 99% )和 Ga203(99. 99% )粉料按 GaQ._ZriQ.995O 配比進(jìn)行稱量后，置 于裝有Zr02磨介的尼龍罐中，以無(wú)水乙醇為彌散劑球磨24h，烘干后，再取粉料進(jìn)行差熱分 析，確定預(yù)燒溫度為1150°C ;
[0027] (2)在確定預(yù)燒溫度后，將粉料置于A120 3封閉坩堝中，用硅碳爐在1150°C的溫度 下預(yù)燒9h ;將預(yù)燒后的將粉料經(jīng)24h球磨后，烘干，過180目篩3遍，加入質(zhì)量濃度為6 %的 聚乙烯醇（PVA)黏和劑，與粉料均勻混合，在80MPa壓力下制成陶瓷坯體；
[0028] (4)以100°C /小時(shí)升溫速率，于550°C排膠3h，之后將樣品分別升高到最高溫度 (1250°C、1275°C、1300°C、1325°C、1350°C )，保溫 10h，將樣品一次燒結(jié)成瓷；
[0029] (5)取部分陶瓷粉料進(jìn)行XRD測(cè)試，再將陶瓷樣品進(jìn)行密度測(cè)試，將陶瓷樣品切割 成邊長(zhǎng)為0. 5cm的正方體后進(jìn)行磨薄處理，表面經(jīng)打磨、超聲清洗后，在陶瓷片四個(gè)角上點(diǎn) 上銦鎵合金，之后進(jìn)行霍爾效應(yīng)測(cè)試，以此確定最佳燒結(jié)溫度；
[0030] (6)參照步驟四和步驟五的工藝路線，在確定的最佳燒結(jié)溫度基礎(chǔ)上，改變不同的 燒結(jié)時(shí)間（1^1、處、71 1、1011、1311)，燒結(jié)一系列樣品。將燒結(jié)后的樣品進(jìn)行處理，并進(jìn)行乂1?、 密度和電學(xué)性能測(cè)試，確定最佳燒結(jié)時(shí)間；
[0031] (7)在前面確定的最佳燒結(jié)工藝情況下，燒結(jié)一系列不同組分的陶瓷Ga xZni_x0(x = 0?000、0? 001、0. 003、0. 0035、0. 004、0. 0045、0. 005、0. 0055、0. 006、0. 007、0. 008、0. 009、 0. 01、0. 015、0. 02、0. 03)。將燒結(jié)后的樣品進(jìn)行處理，并進(jìn)行XRD和電學(xué)性能測(cè)試，確定鎵 摻雜氧化鋅陶瓷最佳濃度；
[0032] 結(jié)論：氧化鋅摻鎵陶瓷的最佳燒結(jié)工藝為燒結(jié)溫度1325°C、燒結(jié)時(shí)間4h;氧化鋅 陶瓷最佳摻鎵濃度為〇. 5at%，該組分下陶瓷的電學(xué)性能最佳。
[0033] 表1以摻雜摩爾比0.5at%的陶瓷確定最佳燒結(jié)工藝

【權(quán)利要求】
1. 一種研究氧化鋅摻鎵陶瓷最佳燒結(jié)工藝和最佳摻雜濃度的方法，其特征在于： (1) 將Zn0、Ga203粉料按化學(xué)式Gaxzni_ x0其中X值為在0-1范圍內(nèi)的某一定值，進(jìn)行配 料，經(jīng)球磨和烘干后，取粉料進(jìn)行差熱分析，確定最佳預(yù)燒溫度； (2) 以某一定時(shí)間作為燒結(jié)時(shí)間，改變不同的燒結(jié)溫度，燒結(jié)一系列樣品；將燒結(jié)后的 樣品進(jìn)行處理，并進(jìn)行密度和電學(xué)性能測(cè)試，確定最佳燒結(jié)溫度； (3) 在確定的最佳燒結(jié)溫度基礎(chǔ)上，改變不同的燒結(jié)時(shí)間，燒結(jié)一系列樣品；將燒結(jié)后 的樣品進(jìn)行處理，并進(jìn)行密度和電學(xué)性能測(cè)試，確定最佳燒結(jié)時(shí)間； (4) 在前面確定的最佳燒結(jié)工藝情況下，燒結(jié)一系列不同組分的陶瓷GaxZni_xO ;將燒結(jié) 后的樣品進(jìn)行處理，并進(jìn)行XRD和電學(xué)性能測(cè)試，確定鎵摻雜氧化鋅陶瓷最佳濃度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種研究氧化鋅摻鎵陶瓷最佳燒結(jié)工藝和最佳摻雜濃度的 方法，其特征在于： (1) 將ZnO、Ga203粉料按化學(xué)式6&_5Ζη α9950進(jìn)行配料，經(jīng)球磨和烘干后，取粉料進(jìn)行 差熱分析，確定最佳預(yù)燒溫度為1150°C預(yù)燒時(shí)間為9h ; (2) 以10h作為燒結(jié)時(shí)間，改變不同的燒結(jié)溫度，燒結(jié)一系列樣品；將燒結(jié)后的樣品進(jìn) 行處理，并進(jìn)行密度和電學(xué)性能測(cè)試，確定最佳燒結(jié)溫度為1325°C ; (3) 在確定的最佳燒結(jié)溫度基礎(chǔ)上，改變不同的燒結(jié)時(shí)間，燒結(jié)一系列樣品；將燒結(jié)后 的樣品進(jìn)行處理，并進(jìn)行密度和電學(xué)性能測(cè)試，確定最佳燒結(jié)時(shí)間為4h ; (4) 在前面確定的最佳燒結(jié)工藝情況下，燒結(jié)一系列不同組分的陶瓷GaxZni_x0 ;將燒 結(jié)后的樣品進(jìn)行處理，并進(jìn)行XRD和電學(xué)性能測(cè)試，確定鎵摻雜氧化鋅陶瓷最佳濃度為 0· 5at%。
【文檔編號(hào)】C04B35/453GK104291806SQ201410484494
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年9月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月21日
【發(fā)明者】王越, 梅曉平, 蔣毅堅(jiān), 馬云峰, 曾勇, 陳龍, 張春萍 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)