放电等离子烧结掺镓氧化锌陶瓷及其物性研究

发布时间：2017-09-16 20:15

  本文关键词：放电等离子烧结掺镓氧化锌陶瓷及其物性研究

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【摘要】：随着材料科学的迅速发展,透明导电薄膜已经应用于半导体、太阳能等领域,特别是在高清平板显示器、触控面板、薄膜太阳能电池等方面有巨大的应用。目前,研究最为广泛的透明导电薄膜是氧化锡掺杂氧化铟(ITO)薄膜。因为氧化锡具有一定的毒性、金属铟属于稀缺资源且价格昂贵,所以ITO薄膜的大规模应用受到了一定的制约,因此开发具有性质优良的透光导电薄膜材料已经成为当前研究的热点。而掺镓氧化锌(ZnO:Ga;GZO)薄膜不仅价格较为低廉、原料丰富,而且不具毒性、化学稳定性好,有优异的发展潜力,有望成为氧化铟掺杂氧化锡薄膜的替代材料。因此,掺镓氧化锌薄膜成为了一种很有前途的透明导电薄膜。制备致密、性能良好的掺镓氧化锌陶瓷靶材是获得高质量掺镓氧化锌薄膜的前提。本文针对传统高温固相烧结GZO陶瓷的致密性差、导电性能不佳、烧结温度高、烧结周期长等问题,以制备掺镓氧化锌陶瓷靶材为目的,采用放电等离子烧结方法,烧结出了镓掺杂浓度为0.075wt%(有潜在的闪烁应用)、尺寸为?20mm?(2~3)mm的GZO导电陶瓷,分析讨论了烧结过程中烧结条件对陶瓷质量及性能的影响,确定了最佳烧结工艺。并通过X射线衍射、密度测量、扫描电子显微镜、霍尔效应和光致发光谱等手段,对烧结的陶瓷分别进行了测试和性能表征。本文研究表明:镓掺杂浓度为0.075wt%的GZO陶瓷的密度、晶粒尺寸和导电性受烧结温度和烧结时间的影响较大。经研究得到GZO陶瓷最佳制备工艺为烧结温度1100℃、烧结时间9分钟、升温速度10℃/min;GZO陶瓷的密度随着烧结温度的升高逐渐增大,在1100℃时陶瓷的密度几乎达到最大值;随着烧结时间的增加陶瓷的密度先逐渐增大后略有减小,陶瓷的最大密度为5.59g/cm3,达到了理论密度的99.6%,由此可以看出陶瓷具有良好的质量;晶粒随烧结温度的升高而逐渐长大;陶瓷的电阻率随温度的升高而逐渐减小,表现出半导体导电特性,但温度过高反而降低了陶瓷的导电性能,其最佳电学性能参数为:电阻率2.498×10-3Ω·cm,载流子浓度3.316×1019cm-3,霍尔迁移率64cm2v-1s-1;氢气条件下退火可降低陶瓷的电阻率,提高陶瓷的电学性能;对不同烧结条件的GZO陶瓷进行了光致荧光光谱的测试,并初步进行了分析;本文还对GZO陶瓷闪烁性能的测试进行了初步的探索,其衰减时间为0.27ns。本文在较低的烧结温度和较短的烧结时间条件下烧结出了致密性高、电学性能优良的掺镓氧化锌陶瓷,这为GZO陶瓷的进一步开发和应用提供了实验基础。
【关键词】：掺镓氧化锌陶瓷 放电等离子烧结 烧结工艺 电学性能
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ174.1
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-23
• 1.1 引言9-10
• 1.2 ZnO材料的概述10-18
• 1.2.1 ZnO的基本性质10-11
• 1.2.2 ZnO的晶格结构11-13
• 1.2.3 ZnO的能带结构13-14
• 1.2.4 ZnO的本征缺陷14-15
• 1.2.5 ZnO的发光性质15-16
• 1.2.6 ZnO的电学性质16-18
• 1.3 ZnO掺Ga（GZO）陶瓷的研究现状18-20
• 1.3.1 GZO陶瓷的烧结方法18-19
• 1.3.2 GZO陶瓷的研究现状19-20
• 1.4 本论文的研究内容20-23
• 第2章 GZO陶瓷制备及表征的方法与原理23-33
• 2.1 GZO陶瓷的制备方法与原理23-27
• 2.1.1 实验材料23
• 2.1.2 实验仪器23-24
• 2.1.3 GZO陶瓷的制备24-27
• 2.2 GZO陶瓷表征的方法与原理27-32
• 2.2.1 X射线衍射27-28
• 2.2.2 扫描电镜测试28-29
• 2.2.3 霍尔效应测试29-30
• 2.2.4 差热扫描量热法30
• 2.2.5 光致荧光光谱测试30-31
• 2.2.6 密度的测量31-32
• 2.3 本章小结32-33
• 第3章 GZO陶瓷的制备工艺与性能测试33-51
• 3.1 GZO陶瓷制备参数的拟定33-34
• 3.2 烧结温度对GZO陶瓷性能的影响34-38
• 3.2.1 烧结温度对GZO陶瓷物相结构的影响34-35
• 3.2.2 烧结温度对GZO陶瓷密度的影响35
• 3.2.3 烧结温度对GZO陶瓷断口形貌的影响35-36
• 3.2.4 烧结温度对GZO陶瓷电学性能的影响36-38
• 3.3 烧结时间对GZO陶瓷性能的影响38-42
• 3.3.1 烧结时间对GZO陶瓷物相结构的影响38-39
• 3.3.2 烧结时间对GZO陶瓷密度的影响39-40
• 3.3.3 烧结时间对GZO陶瓷断口形貌的影响40-41
• 3.3.4 烧结时间对GZO陶瓷电学性能的影响41-42
• 3.4 升温速度对GZO陶瓷电学性能的影响42-43
• 3.5 退火对GZO陶瓷电学性能的影响43-46
• 3.5.1 氧气和氢气退火对GZO陶瓷电学性能的影响43-44
• 3.5.2 未退火和氧气退火对GZO陶瓷电学性能的影响44-46
• 3.6 不同烧结条件对GZO陶瓷光致发光的影响46-47
• 3.7 掺杂浓度对GZO陶瓷电学性能影响的分析47-48
• 3.8 关于GZO陶瓷闪烁性能的研究48-50
• 3.9 本章小结50-51
• 结论51-53
• 参考文献53-57
• 攻读硕士学位期间申请的专利和发表的论文57-59
• 致谢59

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本文编号：865177