纳米ZnO粉体的制备及其靶材烧结行为研究

发布时间：2020-09-16 10:01

　　透明导电薄膜(TCO)因其优异的光电性能得到了越来越广泛的应用,而制备高质量的TCO,则需要高质量的靶材。目前,我国靶材的制备技术相对落后,因此制备具有优异性能的靶材具有重要的意义。本文以制备高质量ZnO靶材为最终目的,主要探究了超声辅助直接沉淀法大批量制备ZnO粉体的基本工艺及方法;分析了沉淀剂种类、表面活性剂种类及用量、煅烧温度、溶剂和预煅烧等因素对粉体形貌、粒径及烧结活性的影响;系统地研究了常压烧结法制备ZnO靶材的烧结工艺及行为;分析了初始粉体、烧结温度、保温时间对ZnO靶材的显微结构、导电性能及相对密度等性能的影响。主要研究结果如下:(1)沉淀剂种类和表面活性剂种类及用量主要影响粉体的形貌与分散性。以NaOH为沉淀剂,粉体呈短棒状,团聚明显;以NH_3·H_2O为沉淀剂,粉体形貌差别较大,分散性良好,粒度分布宽;以(NH_4)_2·CO_3为沉淀剂,粉体呈圆片状,团聚明显;以(NH_4)_2·CO_3为沉淀剂,加入3%wt PEG-400、1%wt TEA表面活性剂,粉体呈球形,分散性较好,粒径分布较均匀,此种粉体在烧结实验中烧结性能最好。煅烧温度和预煅烧主要影响粉体形貌。随着温度的提高,粉体黏结,向棒状生长;经预煅烧处理,ZnO粉体沿[0001]方向呈棒状极性生长,长度约1um。溶剂中乙醇的含量主要影响晶粒大小。随乙醇含量增加,粒径先减小后增大,当乙醇含量为60%时,粒径最小。(2)初始粉体性能和烧结工艺对靶材烧结性能影响较大。相同烧结工艺下,采用不同沉淀剂制备出的初始粉体,烧结得到的靶材相对密度差别较大。以(NH_4)_2·CO_3为沉淀剂,PEG-400和TEA作为表面活性剂制备出的粉体,靶材相对密度最高,采用常压烧结工艺,靶材密度达99%。同时,烧结温度对靶材性能具有较大影响。随着烧结温度的提高,靶材内部气孔数量先降低后上升;相对密度先升高后降低,失重率烧结随温度的升高而缓慢升高,收缩率先缓慢上升,到1450℃时急剧上升;靶材电阻率先降低后升高。在1450℃,保温时间2h,制备出相对密度为99.12%,电阻率为5.6×10~(-2)Ω·cm的靶材。此外,保温时间对气孔的闭合和晶粒粗化影响较大。适当延长保温时间,可以在一定程度上提高靶材致密度,但时间过长会促使晶粒粗化。最终,选择以(NH_4)_2·CO_3为沉淀剂、加入3%wt PEG-400和3%wt TEA添加剂所制备的粉体,在1450℃保温6h烧结靶材,致密度最高,为99.35%,导电率为3×10~(-2)Ω·cm。(3)ZnO靶材致密化过程:0℃-1000℃时处于烧结初期,坯体中颗粒接触面积变大,开始形成明显的颈部,致密化程度不高;1000℃-1250℃时处于烧结中期,连续的孔洞闭合,坯体开始致密化,体积收缩剧烈,密度显著提高,晶粒长大2-3um;1250℃-1350℃时处于烧结后期,此阶段致密化速度相对减缓,晶粒生长较快,相对密度达90%以上。1450℃-1550℃,晶粒异常长大,出现二次再结晶,坯体过烧膨胀,同时Zn挥发导致气孔率增加,使其相对密度和电阻率降低。
【学位单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ132.41;TB383.1
【部分图文】：

晶体结构

ZnO 结构与性能nO，又叫锌白。一直是半导体领域研究中的热点。19 世纪 50 年代集中在生长，掺杂，传输，带结构和光致发光。但是由于很难进行，研究热度逐渐减退，从而转向研究尺寸更小的 III-V 族半导体。于其具有外延生长，量子阱，纳米结构的潜质，对 ZnO 的研究热现在，更多的是研究其生物传感性能和光电应用[16]。nO 有三种结构：六方纤锌矿结构、立方岩盐矿结构和立方闪锌矿 1.1 所示（灰色球代表锌原子，黑色球代表氧原子），六方纤锌矿稳定。ZnO 的晶体结构随环境变化改变，室温下，外部压力增大时会变成四方岩盐矿结构，体积减少约 19%，而闪锌矿型结构通常只构的衬底上生长才会稳定存在。同时，它也是 II-VI 族宽禁带半导体（25℃）ZnO 带隙达 3.37ev，激子束缚能为 60mv，使它成为具有料[17]。

示意图,靶材,溅射,工作原理

图 1. 5 靶材溅射工作原理示意图随着平面显示加快向大尺寸发展，太阳能电池的大范围使用，高层建筑物玻璃幕墙不断增多，TCO 薄膜发展前景广阔。由于 ZnO 薄膜材料无毒，制备温度较其他膜材料低，工艺流程简单，可以实现掺杂，原材料较其他靶材易得，有非常大的成本优势，所以 ZnO 靶材的市场前景十分广阔。靶材根据不同的分类方法有不同的分类，常见的分类主要有以下 3 种，即根据其主要材质分类、根据其应用分类、根据靶材形状进行分类[49]。目前较为关注的是管状靶材。传统的板状靶材溅射时利用率较低，一般只有 20%左右；而管状空心旋转靶，利用率大大提高，可达 80%[50]。图 1.7 为常见的靶材分类。长（正）方体形靶材半导体领域用靶材金属（合金）靶材圆柱体形靶材记录介质用靶材材质几何形状不规则形状靶材应用领域显示薄膜用靶材陶瓷靶材实心靶材光学靶材

课题,实验过程,方法

课题总体思路

【参考文献】