专利名称：镓掺杂氧化锌靶材及其透明导电膜的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种镓掺杂氧化锌溅射靶材及其透明导电膜的制备方法，属于光电子功能材料技术领域。
背景技术：
透明导电氧化物(transparent conductive oxide，简称TC0)对可见光具有很高的透过率，而对红外光具有很高的反射率，同时具有优良的导电性能，因此被广泛应用于太阳能电池、发光二极管、平板和液晶显示、各种热反射镜以及各种交通工具的防雾除霜窗玻璃等领域。锡掺杂氧化铟andium Tin Oxide，简称ΙΤ0)是目前应用最为广泛的透明导膜， 但是作为主要组成部分的金属铟(在ITO中含量高达90%)是稀缺资源，价格昂贵，且有毒，在制备和使用过程中对人体有害；另外，当ITO应用于太阳能电池时，其中的铟很容易扩散到器件中去，直接影响器件的性能和稳定性，同时ITO在氢等离子体中不稳定。因此很有必要开发新型透明导电膜来替代ΙΤΟ。η型掺杂的ZnO基透明导电膜具有优良的导电性能，对可见光具有高透过率，而且在氢等离子体中具有很好的稳定性能；此外，ZnO基透明导电膜比ITO更容易结晶，能够在柔性衬底上制备高质量的透明导电膜；另外，ZnO资源丰富、价格便宜而且无毒，是一种对环境友好的材料。因此，ZnO基透明导电膜已成为目前的研究热点，有逐步取代ITO的发展趋势。溅射法是制备TCO的主要方法，溅射靶材的质量将直接影响到TCO薄膜的质量。 目前ITO靶材的制备工艺已经很成熟，ZnO基透明导电膜靶材的研究也取得了一定的进展。 中国专利公开说明书CN 1289128Α公开了一种由氧化锌粉和氧化铝(或纯铝粉)互相混合烧结出氧化铝总质量含量为1-6% (或纯铝粉0. 5-3% )的铝掺杂氧化锌(AZO)靶材，靶材相对密度可达94%以上。中国专利公开说明书CN 101285164Α公开了一种铝元素含量为 Iat-IOat^的AZO陶瓷靶材的制备方法。中国专利公开说明书CN 1558962Α公开了一种由质量含量为90-99%的氧化铟与1-10%的氧化镓和氧化锌烧结的Lfeai7Oici靶材，这种靶材的铟含量与ITO—样，都大于90%。中国专利公开说明书CN 1413947Α公开了一种在常压、常气氛下烧结的镓掺杂氧化锌(GZO)靶材，其氧化镓的质量含量为2-7%。目前主要是运用陶瓷溅射靶材制备TCO透明导电膜，而制备陶瓷溅射靶材的主要方法有气氛烧结、热等静压烧结和热压烧结等。
发明内容
本发明的目的是制备高纯度的镓掺杂氧化锌靶材，并使用该靶材经溅射法制备透明导电膜。该方法制备的透明导电膜的光电性能可以ITO相比拟，但是成本比ITO低很多， 有望替代ΙΤ0。本发明提出了制备镓掺杂氧化锌靶材的方法，并提出了采用该靶材制备透明导电膜的方法。该法可以很方便地制备出高密度、高纯度的镓掺杂氧化锌靶材以及具有良好导电性能和高透过率的透明导电膜。
1. 一种镓掺杂氧化锌靶材，其特征在于该靶材由锌、镓氧化物粉体经烧结而成； 其中氧化镓的质量含量为0. 5-10% ；靶材的纯度不低于99. 9% ；靶材的相对密度不低于 95%，最高可达99. 5%。2.项1所述的镓掺杂氧化锌靶材的制备方法，其特征在于该靶材的制备过程包括以下步骤(1).制备好的锌、镓氧化物粉体首先在不锈钢模具经1 50Mpa单轴压预压成型， 再经100 300MPa冷等静压成型，然后将成型后的块体在70-150°C下烘干除去成型剂。(2).烘干后的块体在常压、空气气氛或真空0. l-10’a状态下烧结，烧结温度为 900-1500°C。(3).将烧结后的靶材初胚置于纯氧气气氛下进行退火处理，退火温度为 800-1200°C。(4).退火处理后的靶材初胚，切割、打磨和安装背板。3.项2所述的镓掺杂氧化锌靶材的制备方法，其特征在于烧结该靶材所使用的锌、镓氧化物粉体是由共沉淀法、溶胶-凝胶法、水解法、水热法、微乳液法或固相球磨法制备；制备锌、镓氧化物粉体的过程中添加了质量含量为0-5%的分散剂，分散剂包括聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯醇缩丁醛、二辛基琥珀酸磺酸钠，十二烷基苯磺酸钠，甘胆酸钠和吐温等；锌、镓氧化物前驱体干燥后在空气气氛或者氧气气氛下，经400-80(TC预烧结，然后进行造粒、过筛即得到了锌、镓氧化物粉体。4. 一种镓掺杂氧化锌透明导电膜，其特征在于该透明导电膜是采用项1所述的镓掺杂氧化锌靶材经溅射法制备。5.项4所述的镓掺杂氧化锌透明导电膜，其特征在于该透明导电膜为六方纤锌矿相结构，电阻率达 ο—4 Ω cm,最低电阻率为1. 05 X 10_4 Ω cm,在可见光范围400 800nm最高透过率达92 %，平均透过率不低于84 %。6.项4所述的镓掺杂氧化锌透明导电膜的制备方法，其特征在于溅射镀膜过程中，工作气体纯氩气混合0-20%氧气组成，压强为0. 1 2. OPa，衬底温度为室温 700°C。本发明使用上述靶材采用溅射法制备镓掺杂氧化锌透明导电膜。溅射镀膜过程中，工作气体纯氩气混合0-20%氧气组成，压强为0. 1 2. OPa，衬底温度为室温 700°C。 所制备的镓掺杂氧化锌透明导电膜为六方纤锌矿相结构，电阻率可达10_4Qcm，电阻率最低可达1. 05 X 10_4 Ω cm,在可见光范围000 800nm)最高透过率可达92 %，而平均透过率不低于84%。本发明制备的镓掺杂氧化锌靶材及其透明导电膜成本低廉、性能可与ITO相比拟，可以替代目前大量使用的ITO靶材及其透明导电膜，节约大量贵重金属铟，同时大幅降低透明导电膜的成本。
图1为石英玻璃衬底上制备的镓掺杂氧化锌透明导电膜的透过率。图2为石英玻璃衬底上制备的镓掺杂氧化锌透明导电膜的X射线衍射谱。
具体实施方式
下面通过实例进一步说明本发明的实施方式，目的在于帮助进一步理解本发明而不是限制本发明，亦即本发明决不限于下述实例。实施例1 镓掺杂氧化锌靶材的制备首先采用固相球磨法制备锌、镓氧化物粉体。按照Ga2O3/(Zn0+Ga203)质量比为5% 称取氧化锌(纯度为99. 99% )粉体和氧化镓(纯度为99. 99% )粉体，称取占粉体总质量
的聚乙二醇，称取三倍于粉体质量的磨球；将称量好的粉体、聚乙二醇和磨球放入到球磨罐中，然后添加一定量的无水乙醇，将球磨罐密封固定于球磨机上，然后以270转/分的速度球磨5小时。球磨完成后将浆料倒出，在80°C下烘干5小时，然后将粉体在700°C和高纯氧气下预烧结5小时，预烧结完成后将粉体进行过筛、造粒即得到了可用于靶材烧结的锌、镓氧化物粉体。向上述锌、镓氧化物粉体添加适量无水乙醇并放入到不锈钢模具中装好模具，在 20MPa的单轴压力下预压成型，然后经250MI^冷等静压5分钟，随后将成型后的块体放在 80°C下烘干5小时；待块体烘干后，将其转移到真空烧结炉内，抽真空至压强低于0. 1 后升温到1050°C烧结20小时；烧结完成后将炉温降到900°C，然后向烧结炉内通入高纯氧气并保持微正压进行退火处理20小时；退火处理完成后待炉温降到室温取出陶瓷块体并按要求尺寸进行机械加工和安装背板就可得到用于溅射镀膜的镓掺杂氧化锌靶材。经阿基米德法测定该靶材的密度达5. 39g/cm3。实施例2 镓掺杂氧化锌透明导电膜的制备采用实例1所制备的镓掺杂氧化锌靶材用磁控溅射法制备透明导电膜。将靶材安装于磁控靶枪对应位置上，抽真空至真空室本底真空度高于2. 0 X IO-4Pa,以石英玻璃为衬底，衬底温度保持在40(TC，往真空室内通入20sCCm氩气(sccm表示标准毫升每分钟)， 调节真空室压强为0. 15Pa，调节射频电源功率为100W，在正式沉积薄膜之前靶材先预溅射 IOmin0按照上述工艺条件制备厚度约为320nm的镓掺杂氧化锌透明导电膜。经测试表明该透明导电膜的晶体结构为沿(002)取向的六方纤锌矿相结构，电阻率为3. 58X ΙΟ"4Ω cm, 可见光范围GOO 800nm)最高透过率可达92%，而平均透过率为85%。
权利要求
1.一种镓掺杂氧化锌靶材，其特征在于该靶材由锌、镓氧化物粉体经烧结而成；其中氧化镓的质量含量为0. 5-10% ；靶材的纯度不低于99. 9% ；靶材的相对密度不低于95%， 最高可达99. 5%0
2.权利要求1所述的镓掺杂氧化锌靶材的制备方法，其特征在于该靶材的制备过程包括以下步骤(1).制备好的锌、镓氧化物粉体首先在不锈钢模具经1 50Mpa单轴压预压成型，再经 100 300MI^冷等静压成型，然后将成型后的块体在70-150°C下烘干除去成型剂。(2).烘干后的块体在常压、空气气氛或真空0.l-10’a状态下烧结，烧结温度为 900-1500°C。(3).将烧结后的靶材初胚置于纯氧气气氛下进行退火处理，退火温度为800-1200°C。(4).退火处理后的靶材初胚，切割、打磨和安装背板。
3.权利要求2所述的镓掺杂氧化锌靶材的制备方法，其特征在于烧结该靶材所使用的锌、镓氧化物粉体是由共沉淀法、溶胶-凝胶法、水解法、水热法、微乳液法或固相球磨法制备；制备锌、镓氧化物粉体的过程中添加了质量含量为0-5%的分散剂，分散剂包括聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯醇缩丁醛、二辛基琥珀酸磺酸钠，十二烷基苯磺酸钠，甘胆酸钠和吐温等；锌、镓氧化物前驱体干燥后在空气气氛或者氧气气氛下，经400-80(TC预烧结，然后进行造粒、过筛即得到了锌、镓氧化物粉体。
4.一种镓掺杂氧化锌透明导电膜，其特征在于该透明导电膜是采用权利要求1所述的镓掺杂氧化锌靶材经溅射法制备。
5.权利要求4所述的镓掺杂氧化锌透明导电膜，其特征在于该透明导电膜为六方纤锌矿相结构，电阻率达10_4 Ω cm,最低电阻率为1. 05 X 10_4 Ω cm,在可见光范围400 800nm 最高透过率达92 %，平均透过率不低于84 %。
6.权利要求4所述的镓掺杂氧化锌透明导电膜的制备方法，其特征在于溅射镀膜过程中，工作气体纯氩气混合0-20%氧气组成，压强为0. 1 2. OPa，衬底温度为室温 700 °C。
全文摘要
本发明涉及一种镓掺杂氧化锌靶材及其透明导电膜的制备方法。该靶材由锌、镓氧化物粉体经烧结而成；其中氧化镓的质量含量为0.5-10％；靶材的纯度不低于99.9％；靶材的相对密度不低于95％，最高可达99.5％。采用该靶材经溅射法制备的透明导电膜具有优良的光电性能，电阻率可低至1.05×10-4Ωcm，在可见光范围(400～800nm)最高透过率可达92％，而平均透过率不低于84％，可广泛应用于太阳能电池、发光二极管、平板和液晶显示等领域。
文档编号C23C14/14GK102191466SQ201010127609
公开日2011年9月21日 申请日期2010年3月18日 优先权日2010年3月18日
发明者曹永革, 王美丽, 邓种华, 黄常刚 申请人:中国科学院福建物质结构研究所