一种研究氧化锌掺镓陶瓷最佳烧结工艺和最佳掺杂浓度的方法
【专利摘要】一种研究氧化锌掺镓陶瓷最佳烧结工艺和最佳掺杂浓度的方法属于导电陶瓷的制备领域。将ZnO、Ga2O3粉料按化学式GaxZn1-xO其中x值为在0-1范围内的某一定值，进行配料，经球磨和烘干后，取粉料进行差热分析，确定最佳预烧温度；以某一定时间作为烧结时间，确定最佳烧结温度；在确定的最佳烧结温度基础上，改变不同的烧结时间，烧结一系列样品；将烧结后的样品进行处理，并进行密度和电学性能测试，确定最佳烧结时间；在前面确定的最佳烧结工艺情况下，烧结一系列不同组分的陶瓷GaxZn1-xO；将烧结后的样品进行处理，并进行XRD和电学性能测试，确定镓掺杂氧化锌陶瓷最佳浓度。本发明提供一种传统烧结方式下的、周期短、耗能低、高致密性和低电阻率的GZO陶瓷的工艺。
【专利说明】一种研究氧化锌掺镓陶瓷最佳烧结工艺和最佳掺杂浓度的 方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于Gaxzni_ x0 (简称GZ0)导电陶瓷的制备领域。
【背景技术】
[0002] GZ0陶瓷由于其优良的性能，而广泛应用于闪烁材料、导电陶瓷、溅射靶材等。目 前氧化锌掺镓陶瓷最普遍的一个应用就是用于制备透明导电薄膜的溅射靶材，用其制备的 GZ0薄膜具有较大的禁带宽度（约3. 3eV)，有与IT0薄膜相媲美的电学和光学特性，因此可 广泛应用于太阳能电池、压电器件、液晶显示等领域；而制备ZnO的原料丰富，价格低廉，制 备成本较低，对环境无毒无害，热稳定性和化学稳定性都比较好，使其在材料的应用领域不 断扩展，因此是一种最具潜力的取代IT0的材料之一。GZ0陶瓷的品质如纯度、密度、电阻 率、晶粒大小及分布等，将直接关系到氧化锌掺镓薄膜性能的优劣。GZ0陶瓷靶材的制备同 IT0靶材一样，技术难度大，核心技术基本掌握在美、日等发达国家。国内目前在该领域尙处 于实验室研发阶段，工业生产所需GZ0陶瓷靶材基本仍依赖进口，因此确定GZ0陶瓷的最佳 烧结工艺以服务于科研和工业生产迫在眉睫。另外，确定最佳掺镓浓度的氧化锌陶瓷，对于 材料的性能研究非常具有参考价值，但是关于这方面的报道也很少。近些年来，关于GZ0类 的文章发表较多，主要集中于薄膜材料，其中陶瓷类的文章发表较少，对于GZ0陶瓷的性能 研究相对较少。
[0003] 文献一 ：2012年，吴木营等人利用高温固相反应法制备了镓掺杂氧化锌导电陶 瓷。他们得出，GZ0导电陶瓷的最优工艺条件是，预烧温度700°C、烧结温度1300°C、掺杂浓 度为摩尔比2%。但是文章中报道的，最低电阻率0. 1 Q ?〇!!导电效果不佳、根据5个组分配 t匕，选择最佳掺杂浓度，系统性不强。（吴木营，刘敏霞，李洪涛，杨雷，张伟风，制备条件对镓 掺杂氧化锌薄膜的透明导电性影响，河南大学学报（自然科学版），2012,42(6) :707-711)
[0004] 2009年，J. P. Wiff等人利用高温固相反应法烧结了三个组分的镓掺杂氧化锌陶 瓷（0? 2at%、0. 5at%、lat% )，烧结工艺为1400°C、10h。文中陶瓷的烧结工艺比较繁杂，并 且烧结温度较高，没有研究陶瓷的最佳烧结工艺，主要是氧化锌掺铝和氧化锌掺镓陶瓷性 能进行对比。（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等人利用高温固相反应法烧结了六个组分的镓掺杂氧化锌陶 瓷（0? 0at%、0. lat%、0. 5at%、l. 0at%、2. 0at%、3. Oat% )，烧结工艺为 130(TC、10h。他 们发现当镓掺杂摩尔比为〇.5at%时，陶瓷拥有最低电阻率，数值大约为1.0Q ? cm。虽 然文中报道了最佳掺杂浓度为〇.5at%，但是陶瓷电阻率太大，并且配置的组分不够精细。 (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)
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种传统烧结方式下的、周期短、耗能低、高致密性和低电 阻率的GZ0陶瓷的最佳烧结工艺和最佳掺杂浓度的制备工艺。
[0007] 本发明是通过以下方案实现的
[0008] (1)将Zn0、Ga203粉料按化学式Gaxzni_x0其中X值为在0-1范围内的某一定值，进 行配料，经球磨和烘干后，取粉料进行差热分析，确定最佳预烧温度；
[0009] (2)以某一定时间作为烧结时间，改变不同的烧结温度，烧结一系列样品；将烧结 后的样品进行处理，并进行密度和电学性能测试，确定最佳烧结温度；
[0010] (3)在确定的最佳烧结温度基础上，改变不同的烧结时间，烧结一系列样品；将烧 结后的样品进行处理，并进行密度和电学性能测试，确定最佳烧结时间；
[0011] (4)在前面确定的最佳烧结工艺情况下，烧结一系列不同组分的陶瓷Gaxzni_x0 ;将 烧结后的样品进行处理，并进行XRD和电学性能测试，确定镓掺杂氧化锌陶瓷最佳浓度。
[0012] 一种研究氧化锌掺镓陶瓷最佳烧结工艺和最佳掺杂浓度的方法，其特征在于：
[0013] (1)将ZnO、Ga203粉料按化学式Gaa.Jn^sO进行配料，经球磨和烘干后，取粉料 进行差热分析，确定最佳预烧温度为1150°C预烧时间为9h;
[0014] ⑵以l〇h作为烧结时间，改变不同的烧结温度，烧结一系列样品；将烧结后的样 品进行处理，并进行密度和电学性能测试，确定最佳烧结温度为1325°C;
[0015] (3)在确定的最佳烧结温度基础上，改变不同的烧结时间，烧结一系列样品；将烧 结后的样品进行处理，并进行密度和电学性能测试，确定最佳烧结时间为4h;
[0016] (4)在前面确定的最佳烧结工艺情况下，烧结一系列不同组分的陶瓷GaxZni_x0;将 烧结后的样品进行处理，并进行XRD和电学性能测试，确定镓掺杂氧化锌陶瓷最佳浓度为 0? 5at%〇
[0017] 氧化锌掺镓陶瓷材料的制备方法，其特征在于：
[0018] 将ZnO和Ga203粉料按Gaa._Zna._0配比进行称量后，在1150°C的温度下预烧9h; 将预烧后的将粉料制成陶瓷坯体；以100°c/小时升温速率，于550°C排胶3h，之后将温度 升高到1325°C保温4h，将样品一次烧结成瓷。
[0019] 与现有工艺相比，本发明工艺的明显优点
[0020] (1)采用固相烧结方式，通过系统地实验，确定了最佳烧结温度和最佳烧结时间等 工艺参数，为GZ0陶瓷的工业化生产提供了参考
[0021] (2)通过一系列的不同组分实验，确定了镓掺杂最佳浓度，为生产性能最佳的GZ0 透明导电薄膜提供了参考。
[0022] (3)本工艺相对于现有工艺，具有一次烧结成瓷，制备周期短的特点，还具有烧结 温度相对较低、保温时间短、耗能低的特点。此优点适于工业化生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1烧结时间为10h时，不同烧结温度下的Ga_5ZnQ.9950粉料XRD图谱
[0024] 图2烧结温度为1325°C时，不同烧结时间下的Ga_5ZnQ.9950粉料XRD图谱
[0025]图3最佳烧结工艺下的，部分掺镓浓度的陶瓷粉料XRD图谱
【具体实施方式】
[0026] (1)将 Zn0(99. 99% )和 Ga203(99. 99% )粉料按 GaQ._ZriQ.995O 配比进行称量后，置 于装有Zr02磨介的尼龙罐中，以无水乙醇为弥散剂球磨24h，烘干后，再取粉料进行差热分 析，确定预烧温度为1150°C ;
[0027] (2)在确定预烧温度后，将粉料置于A120 3封闭坩埚中，用硅碳炉在1150°C的温度 下预烧9h ;将预烧后的将粉料经24h球磨后，烘干，过180目筛3遍，加入质量浓度为6 %的 聚乙烯醇（PVA)黏和剂，与粉料均匀混合，在80MPa压力下制成陶瓷坯体；
[0028] (4)以100°C /小时升温速率，于550°C排胶3h，之后将样品分别升高到最高温度 (1250°C、1275°C、1300°C、1325°C、1350°C )，保温 10h，将样品一次烧结成瓷；
[0029] (5)取部分陶瓷粉料进行XRD测试，再将陶瓷样品进行密度测试，将陶瓷样品切割 成边长为0. 5cm的正方体后进行磨薄处理，表面经打磨、超声清洗后，在陶瓷片四个角上点 上铟镓合金，之后进行霍尔效应测试，以此确定最佳烧结温度；
[0030] (6)参照步骤四和步骤五的工艺路线，在确定的最佳烧结温度基础上，改变不同的 烧结时间（1^1、处、71 1、1011、1311)，烧结一系列样品。将烧结后的样品进行处理，并进行乂1?、 密度和电学性能测试，确定最佳烧结时间；
[0031] (7)在前面确定的最佳烧结工艺情况下，烧结一系列不同组分的陶瓷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)。将烧结后的样品进行处理，并进行XRD和电学性能测试，确定镓 掺杂氧化锌陶瓷最佳浓度；
[0032] 结论：氧化锌掺镓陶瓷的最佳烧结工艺为烧结温度1325°C、烧结时间4h;氧化锌 陶瓷最佳掺镓浓度为〇. 5at%，该组分下陶瓷的电学性能最佳。
[0033] 表1以掺杂摩尔比0.5at%的陶瓷确定最佳烧结工艺
【权利要求】
1. 一种研究氧化锌掺镓陶瓷最佳烧结工艺和最佳掺杂浓度的方法，其特征在于： (1) 将Zn0、Ga203粉料按化学式Gaxzni_ x0其中X值为在0-1范围内的某一定值，进行配 料，经球磨和烘干后，取粉料进行差热分析，确定最佳预烧温度； (2) 以某一定时间作为烧结时间，改变不同的烧结温度，烧结一系列样品；将烧结后的 样品进行处理，并进行密度和电学性能测试，确定最佳烧结温度； (3) 在确定的最佳烧结温度基础上，改变不同的烧结时间，烧结一系列样品；将烧结后 的样品进行处理，并进行密度和电学性能测试，确定最佳烧结时间； (4) 在前面确定的最佳烧结工艺情况下，烧结一系列不同组分的陶瓷GaxZni_xO ;将烧结 后的样品进行处理，并进行XRD和电学性能测试，确定镓掺杂氧化锌陶瓷最佳浓度。
2. 根据权利要求1所述的一种研究氧化锌掺镓陶瓷最佳烧结工艺和最佳掺杂浓度的 方法，其特征在于： (1) 将ZnO、Ga203粉料按化学式6&_5Ζη α9950进行配料，经球磨和烘干后，取粉料进行 差热分析，确定最佳预烧温度为1150°C预烧时间为9h ; (2) 以10h作为烧结时间，改变不同的烧结温度，烧结一系列样品；将烧结后的样品进 行处理，并进行密度和电学性能测试，确定最佳烧结温度为1325°C ; (3) 在确定的最佳烧结温度基础上，改变不同的烧结时间，烧结一系列样品；将烧结后 的样品进行处理，并进行密度和电学性能测试，确定最佳烧结时间为4h ; (4) 在前面确定的最佳烧结工艺情况下，烧结一系列不同组分的陶瓷GaxZni_x0 ;将烧 结后的样品进行处理，并进行XRD和电学性能测试，确定镓掺杂氧化锌陶瓷最佳浓度为 0· 5at%。
【文档编号】C04B35/453GK104291806SQ201410484494
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月21日 优先权日:2014年9月21日
【发明者】王越, 梅晓平, 蒋毅坚, 马云峰, 曾勇, 陈龙, 张春萍 申请人:北京工业大学