[發明專利]一種用放電等離子燒結研究鎵摻雜氧化鋅陶瓷最佳燒結工藝的方法

在審

• 申請號: 201610004758.1
• 申請日: 2016-01-05
• 公開（公告）號: CN105669182A
• 公開（公告）日: 2016-06-15
• 發明（設計）人: 王越;陳龍;蔣毅堅;梅曉平;曾勇;馬云峰
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: C04B35/453
• 分類號: C04B35/453;C04B35/64
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

技術領域

本發明屬于Ga_xZn_1-xO(簡稱GZO)導電陶瓷的制備領域。

背景技術

ZnO作為II-VI族n型直接寬禁帶氧化物半導體，是一種多功能材料，有許多優點， 因此，引起了很多人的注意。首先，常溫下ZnO的禁帶寬度為3.37eV，激子束縛能為60meV，大 約是室溫熱離化能的2.4倍，高于其他幾種寬禁帶半導體材料；其次，高質量的ZnO單晶可以 通過簡單的技術制備出來，Zn元素的含量在地殼中較多，因此ZnO器件的價格也比較低；最 后，ZnO對環境無毒無害，是一種環保材料，而且熔點很高，具有很強的熱穩定性和化學穩定 性。所以是近年來被重點研究和開發的材料。鎵摻雜氧化鋅更是提高了ZnO的性能，特別是 光電性能，從而使其廣泛應用于閃爍體、光電設備、熱電材料以及濺射靶材等。用鎵摻雜氧 化鋅濺射靶材制備的GZO透明導電薄膜更是由于其優異的光電性能廣泛應用于太陽能電 池、壓電器件、液晶顯示等領域。由于如純度、致密性、電阻率及其晶粒的排布和大小等GZO 陶瓷質量的因素，將直接影響其性能的優劣，所以能制備出高質量的GZO陶瓷有重要意義。 目前國內在該領域的技術尙不成熟，國外的發達國家掌握著核心技術，工業生產所需GZO陶 瓷基本依賴進口，因此，我們當前迫切的任務是確定GZO陶瓷的最佳燒結工藝來服務科研和 工業化生產。近些年來關于GZO類的文章報道主要集中于薄膜材料和粉體材料，關于陶瓷類 及其性能研究方面的文章報道較少，并且GZO陶瓷主要是通過傳統的高溫固相燒結法制備 的，燒結溫度較高，時間也很長，浪費了能源，不利于工業化生產。目前，只有傳統固相燒結 方法制備GZO陶瓷的相關報道，還沒有用放電等離子燒結(SparkPlasmaSintering，簡稱 SPS)方法制備GZO陶瓷的相關報道。

放電等離子燒結是90年代發展并成熟的一種燒結技術，它利用通-斷直流脈沖電 流直接通電加壓燒結。給承壓導電模具加上一個可控脈沖電流，脈沖電流通過模具的同時 也通過樣品本身，并有一部分貫穿樣品與模具的間隙。通過樣品及間隙的部分電流激活晶 粒表面，擊穿孔隙內殘余氣體，局部放電，甚至產生等離子體，促進晶粒間的局部結合，給樣 品提供一個內在的加熱源；通過模具部分的電流加熱模具，給樣品提供一個外在加熱源。 在放電等離子燒結過程中樣品同時被內、外加熱，所以，它有很快的升溫速度。因為放電等 離子燒結具有升溫速度快(最快200℃/min)、燒結時間短(幾分鐘)、樣品均勻致密的特點， 所以它已經被用來燒結各種各樣的材料。

目前，國內外陸續報導了一些關于GZO陶瓷傳統固相燒結方法的最佳燒結工藝的 文章，如M.S.Jang等人在CurrentAppliedPhysics(現代應用物理學報)2009年第9卷上發 表了題為“AstudyontheRamanspectraofAl-dopedandGa-dopedZnOceramics” (“鋁和鎵摻雜氧化鋅陶瓷拉曼光譜的研究”)的文章，報道了利用高溫固相反應法制備了6 種不同組分的鎵摻雜氧化鋅陶瓷及其對相關性能影響的研究；吳木營等人在河南大學學報 (自然科學版)2012年第42卷上發表了一篇題為“制備條件對鎵摻雜氧化鋅薄膜的透明導電 性影響”的文章，報道了利用高溫固相反應法制備了6種不同組分的鎵摻雜氧化鋅導電陶 瓷，確定了最佳燒結工藝及最佳摻雜濃度。

研究結果表明，最佳燒結溫度為1300℃，不同摻雜濃度對陶瓷導電性能有很大影 響。但目前的研究工作仍存在著一些問題：一、M.S.Jang等人對于GZO陶瓷的制備工藝存在 著如下問題：1.燒結溫度相對偏高(1300℃)，燒結時間偏長(10小時)，因此，這種工藝的制 備周期較長，并且能耗較大，不利于工業生產。2.雖然配備了6種不同組分，確定了最佳組分 (摩爾比為0.5at％)，但是陶瓷最低電阻率較大，為1.0Ω·cm。二、吳木營等人主要對GZO陶 瓷不同組分(摩爾比0.5％、1％、2％、3％、4％、5％)的燒結工藝進行了詳細的研究，其特點 是：分別在1200℃、1250℃、1300℃、1350℃、1400℃、1500℃、1550℃燒結溫度下燒結2小時， 其最佳燒結條件為預燒溫度700℃、燒結溫度1300℃，最佳摻雜濃度為摩爾比2％，得到的最 低電阻率為0.1Ω·cm。顯而易見，也同樣存在制備周期較長，效率低，并且能耗較大，不利 于工業生產等問題，并且得到的最小電阻率還是很大。

發明內容