一種研究氧化鋅摻鎵陶瓷最佳燒結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工藝和最佳摻雜濃度的方法屬于導電陶瓷的制備領域。將ZnO、Ga2O3粉料按化學式GaxZn1-xO其中x值為在0-1范圍內的某一定值，進行配料，經球磨和烘干后，取粉料進行差熱分析，確定最佳預燒溫度；以某一定時間作為燒結時間，確定最佳燒結溫度；在確定的最佳燒結溫度基礎上，改變不同的燒結時間，燒結一系列樣品；將燒結后的樣品進行處理，并進行密度和電學性能測試，確定最佳燒結時間；在前面確定的最佳燒結工藝情況下，燒結一系列不同組分的陶瓷GaxZn1-xO；將燒結后的樣品進行處理，并進行XRD和電學性能測試，確定鎵摻雜氧化鋅陶瓷最佳濃度。本發明提供一種傳統燒結方式下的、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工藝和最佳摻雜濃度的 方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于Gaxzni_ x0 (簡稱GZ0)導電陶瓷的制備領域。
【背景技術】
[0002] GZ0陶瓷由于其優良的性能，而廣泛應用于閃爍材料、導電陶瓷、濺射靶材等。目 前氧化鋅摻鎵陶瓷最普遍的一個應用就是用于制備透明導電薄膜的濺射靶材，用其制備的 GZ0薄膜具有較大的禁帶寬度（約3. 3eV)，有與IT0薄膜相媲美的電學和光學特性，因此可 廣泛應用于太陽能電池、壓電器件、液晶顯示等領域；而制備ZnO的原料豐富，價格低廉，制 備成本較低，對環境無毒無害，熱穩定性和化學穩定性都比較好，使其在材料的應用領域不 斷擴展，因此是一種最具潛力的取代IT0的材料之一。GZ0陶瓷的品質如純度、密度、電阻 率、晶粒大小及分布等，將直接關系到氧化鋅摻鎵薄膜性能的優劣。GZ0陶瓷靶材的制備同 IT0靶材一樣，技術難度大，核心技術基本掌握在美、日等發達國家。國內目前在該領域尙處 于實驗室研發階段，工業生產所需GZ0陶瓷靶材基本仍依賴進口，因此確定GZ0陶瓷的最佳 燒結工藝以服務于科研和工業生產迫在眉睫。另外，確定最佳摻鎵濃度的氧化鋅陶瓷，對于 材料的性能研究非常具有參考價值，但是關于這方面的報道也很少。近些年來，關于GZ0類 的文章發表較多，主要集中于薄膜材料，其中陶瓷類的文章發表較少，對于GZ0陶瓷的性能 研究相對較少。
[0003] 文獻一 ：2012年，吳木營等人利用高溫固相反應法制備了鎵摻雜氧化鋅導電陶 瓷。他們得出，GZ0導電陶瓷的最優工藝條件是，預燒溫度700°C、燒結溫度1300°C、摻雜濃 度為摩爾比2%。但是文章中報道的，最低電阻率0. 1 Q ?〇!!導電效果不佳、根據5個組分配 t匕，選擇最佳摻雜濃度，系統性不強。（吳木營，劉敏霞，李洪濤，楊雷，張偉風，制備條件對鎵 摻雜氧化鋅薄膜的透明導電性影響，河南大學學報（自然科學版），2012,42(6) :707-711)
[0004] 2009年，J. P. Wiff等人利用高溫固相反應法燒結了三個組分的鎵摻雜氧化鋅陶 瓷（0? 2at%、0. 5at%、lat% )，燒結工藝為1400°C、10h。文中陶瓷的燒結工藝比較繁雜，并 且燒結溫度較高，沒有研究陶瓷的最佳燒結工藝，主要是氧化鋅摻鋁和氧化鋅摻鎵陶瓷性 能進行對比。（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法燒結了六個組分的鎵摻雜氧化鋅陶 瓷（0? 0at%、0. lat%、0. 5at%、l. 0at%、2. 0at%、3. Oat% )，燒結工藝為 130(TC、10h。他 們發現當鎵摻雜摩爾比為〇.5at%時，陶瓷擁有最低電阻率，數值大約為1.0Q ? cm。雖 然文中報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。 (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)
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于提供一種傳統燒結方式下的、周期短、耗能低、高致密性和低電 阻率的GZ0陶瓷的最佳燒結工藝和最佳摻雜濃度的制備工藝。
[0007] 本發明是通過以下方案實現的
[0008] (1)將Zn0、Ga203粉料按化學式Gaxzni_x0其中X值為在0-1范圍內的某一定值，進 行配料，經球磨和烘干后，取粉料進行差熱分析，確定最佳預燒溫度；
[0009] (2)以某一定時間作為燒結時間，改變不同的燒結溫度，燒結一系列樣品；將燒結 后的樣品進行處理，并進行密度和電學性能測試，確定最佳燒結溫度；
[0010] (3)在確定的最佳燒結溫度基礎上，改變不同的燒結時間，燒結一系列樣品；將燒 結后的樣品進行處理，并進行密度和電學性能測試，確定最佳燒結時間；
[0011] (4)在前面確定的最佳燒結工藝情況下，燒結一系列不同組分的陶瓷Gaxzni_x0 ;將 燒結后的樣品進行處理，并進行XRD和電學性能測試，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粉料按化學式Gaa.Jn^sO進行配料，經球磨和烘干后，取粉料 進行差熱分析，確定最佳預燒溫度為1150°C預燒時間為9h;
[0014] ⑵以l〇h作為燒結時間，改變不同的燒結溫度，燒結一系列樣品；將燒結后的樣 品進行處理，并進行密度和電學性能測試，確定最佳燒結溫度為1325°C;
[0015] (3)在確定的最佳燒結溫度基礎上，改變不同的燒結時間，燒結一系列樣品；將燒 結后的樣品進行處理，并進行密度和電學性能測試，確定最佳燒結時間為4h;
[0016] (4)在前面確定的最佳燒結工藝情況下，燒結一系列不同組分的陶瓷GaxZni_x0;將 燒結后的樣品進行處理，并進行XRD和電學性能測試，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配比進行稱量后，在1150°C的溫度下預燒9h; 將預燒后的將粉料制成陶瓷坯體；以100°c/小時升溫速率，于550°C排膠3h，之后將溫度 升高到1325°C保溫4h，將樣品一次燒結成瓷。
[0019] 與現有工藝相比，本發明工藝的明顯優點
[0020] (1)采用固相燒結方式，通過系統地實驗，確定了最佳燒結溫度和最佳燒結時間等 工藝參數，為GZ0陶瓷的工業化生產提供了參考
[0021] (2)通過一系列的不同組分實驗，確定了鎵摻雜最佳濃度，為生產性能最佳的GZ0 透明導電薄膜提供了參考。
[0022] (3)本工藝相對于現有工藝，具有一次燒結成瓷，制備周期短的特點，還具有燒結 溫度相對較低、保溫時間短、耗能低的特點。此優點適于工業化生產。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023] 圖1燒結時間為10h時，不同燒結溫度下的Ga_5ZnQ.9950粉料XRD圖譜
[0024] 圖2燒結溫度為1325°C時，不同燒結時間下的Ga_5ZnQ.9950粉料XRD圖譜
[0025]圖3最佳燒結工藝下的，部分摻鎵濃度的陶瓷粉料XRD圖譜
【具體實施方式】
[0026] (1)將 Zn0(99. 99% )和 Ga203(99. 99% )粉料按 GaQ._ZriQ.995O 配比進行稱量后，置 于裝有Zr02磨介的尼龍罐中，以無水乙醇為彌散劑球磨24h，烘干后，再取粉料進行差熱分 析，確定預燒溫度為1150°C ;
[0027] (2)在確定預燒溫度后，將粉料置于A120 3封閉坩堝中，用硅碳爐在1150°C的溫度 下預燒9h ;將預燒后的將粉料經24h球磨后，烘干，過180目篩3遍，加入質量濃度為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，將樣品一次燒結成瓷；
[0029] (5)取部分陶瓷粉料進行XRD測試，再將陶瓷樣品進行密度測試，將陶瓷樣品切割 成邊長為0. 5cm的正方體后進行磨薄處理，表面經打磨、超聲清洗后，在陶瓷片四個角上點 上銦鎵合金，之后進行霍爾效應測試，以此確定最佳燒結溫度；
[0030] (6)參照步驟四和步驟五的工藝路線，在確定的最佳燒結溫度基礎上，改變不同的 燒結時間（1^1、處、71 1、1011、1311)，燒結一系列樣品。將燒結后的樣品進行處理，并進行乂1?、 密度和電學性能測試，確定最佳燒結時間；
[0031] (7)在前面確定的最佳燒結工藝情況下，燒結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)。將燒結后的樣品進行處理，并進行XRD和電學性能測試，確定鎵 摻雜氧化鋅陶瓷最佳濃度；
[0032] 結論：氧化鋅摻鎵陶瓷的最佳燒結工藝為燒結溫度1325°C、燒結時間4h;氧化鋅 陶瓷最佳摻鎵濃度為〇. 5at%，該組分下陶瓷的電學性能最佳。
[0033] 表1以摻雜摩爾比0.5at%的陶瓷確定最佳燒結工藝
【權利要求】
1. 一種研究氧化鋅摻鎵陶瓷最佳燒結工藝和最佳摻雜濃度的方法，其特征在于： (1) 將Zn0、Ga203粉料按化學式Gaxzni_ x0其中X值為在0-1范圍內的某一定值，進行配 料，經球磨和烘干后，取粉料進行差熱分析，確定最佳預燒溫度； (2) 以某一定時間作為燒結時間，改變不同的燒結溫度，燒結一系列樣品；將燒結后的 樣品進行處理，并進行密度和電學性能測試，確定最佳燒結溫度； (3) 在確定的最佳燒結溫度基礎上，改變不同的燒結時間，燒結一系列樣品；將燒結后 的樣品進行處理，并進行密度和電學性能測試，確定最佳燒結時間； (4) 在前面確定的最佳燒結工藝情況下，燒結一系列不同組分的陶瓷GaxZni_xO ;將燒結 后的樣品進行處理，并進行XRD和電學性能測試，確定鎵摻雜氧化鋅陶瓷最佳濃度。
2. 根據權利要求1所述的一種研究氧化鋅摻鎵陶瓷最佳燒結工藝和最佳摻雜濃度的 方法，其特征在于： (1) 將ZnO、Ga203粉料按化學式6&_5Ζη α9950進行配料，經球磨和烘干后，取粉料進行 差熱分析，確定最佳預燒溫度為1150°C預燒時間為9h ; (2) 以10h作為燒結時間，改變不同的燒結溫度，燒結一系列樣品；將燒結后的樣品進 行處理，并進行密度和電學性能測試，確定最佳燒結溫度為1325°C ; (3) 在確定的最佳燒結溫度基礎上，改變不同的燒結時間，燒結一系列樣品；將燒結后 的樣品進行處理，并進行密度和電學性能測試，確定最佳燒結時間為4h ; (4) 在前面確定的最佳燒結工藝情況下，燒結一系列不同組分的陶瓷GaxZni_x0 ;將燒 結后的樣品進行處理，并進行XRD和電學性能測試，確定鎵摻雜氧化鋅陶瓷最佳濃度為 0· 5at%。
【文檔編號】C04B35/453GK104291806SQ201410484494
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月21日 優先權日:2014年9月21日
【發明者】王越, 梅曉平, 蔣毅堅, 馬云峰, 曾勇, 陳龍, 張春萍 申請人:北京工業大學