透明導(dǎo)電薄膜(TCO)因其優(yōu)異的光電性能得到了越來越廣泛的應(yīng)用,而制備高質(zhì)量的TCO,則需要高質(zhì)量的靶材。目前,我國靶材的制備技術(shù)相對落后,因此制備具有優(yōu)異性能的靶材具有重要的意義。本文以制備高質(zhì)量ZnO靶材為最終目的,主要探究了超聲輔助直接沉淀法大批量制備ZnO粉體的基本工藝及方法;分析了沉淀劑種類、表面活性劑種類及用量、煅燒溫度、溶劑和預(yù)煅燒等因素對粉體形貌、粒徑及燒結(jié)活性的影響;系統(tǒng)地研究了常壓燒結(jié)法制備ZnO靶材的燒結(jié)工藝及行為;分析了初始粉體、燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間對ZnO靶材的顯微結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電性能及相對密度等性能的影響。主要研究結(jié)果如下:(1)沉淀劑種類和表面活性劑種類及用量主要影響粉體的形貌與分散性。以NaOH為沉淀劑,粉體呈短棒狀,團(tuán)聚明顯;以NH_3·H_2O為沉淀劑,粉體形貌差別較大,分散性良好,粒度分布寬;以(NH_4)_2·CO_3為沉淀劑,粉體呈圓片狀,團(tuán)聚明顯;以(NH_4)_2·CO_3為沉淀劑,加入3%wt PEG-400、1%wt TEA表面活性劑,粉體呈球形,分散性較好,粒徑分布較均勻,此種粉體在燒結(jié)實(shí)驗(yàn)中燒結(jié)性能最好。煅燒溫度和預(yù)煅燒主要影響粉體形貌。隨著溫度的提高,粉體黏結(jié),向棒狀生長;經(jīng)預(yù)煅燒處理,ZnO粉體沿[0001]方向呈棒狀極性生長,長度約1um。溶劑中乙醇的含量主要影響晶粒大小。隨乙醇含量增加,粒徑先減小后增大,當(dāng)乙醇含量為60%時(shí),粒徑最小。(2)初始粉體性能和燒結(jié)工藝對靶材燒結(jié)性能影響較大。相同燒結(jié)工藝下,采用不同沉淀劑制備出的初始粉體,燒結(jié)得到的靶材相對密度差別較大。以(NH_4)_2·CO_3為沉淀劑,PEG-400和TEA作為表面活性劑制備出的粉體,靶材相對密度最高,采用常壓燒結(jié)工藝,靶材密度達(dá)99%。同時(shí),燒結(jié)溫度對靶材性能具有較大影響。隨著燒結(jié)溫度的提高,靶材內(nèi)部氣孔數(shù)量先降低后上升;相對密度先升高后降低,失重率燒結(jié)隨溫度的升高而緩慢升高,收縮率先緩慢上升,到1450℃時(shí)急劇上升;靶材電阻率先降低后升高。在1450℃,保溫時(shí)間2h,制備出相對密度為99.12%,電阻率為5.6×10~(-2)Ω·cm的靶材。此外,保溫時(shí)間對氣孔的閉合和晶粒粗化影響較大。適當(dāng)延長保溫時(shí)間,可以在一定程度上提高靶材致密度,但時(shí)間過長會促使晶粒粗化。最終,選擇以(NH_4)_2·CO_3為沉淀劑、加入3%wt PEG-400和3%wt TEA添加劑所制備的粉體,在1450℃保溫6h燒結(jié)靶材,致密度最高,為99.35%,導(dǎo)電率為3×10~(-2)Ω·cm。(3)ZnO靶材致密化過程:0℃-1000℃時(shí)處于燒結(jié)初期,坯體中顆粒接觸面積變大,開始形成明顯的頸部,致密化程度不高;1000℃-1250℃時(shí)處于燒結(jié)中期,連續(xù)的孔洞閉合,坯體開始致密化,體積收縮劇烈,密度顯著提高,晶粒長大2-3um;1250℃-1350℃時(shí)處于燒結(jié)后期,此階段致密化速度相對減緩,晶粒生長較快,相對密度達(dá)90%以上。1450℃-1550℃,晶粒異常長大,出現(xiàn)二次再結(jié)晶,坯體過燒膨脹,同時(shí)Zn揮發(fā)導(dǎo)致氣孔率增加,使其相對密度和電阻率降低。
【學(xué)位單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TQ132.41;TB383.1
【部分圖文】：

ZnO 結(jié)構(gòu)與性能nO，又叫鋅白。一直是半導(dǎo)體領(lǐng)域研究中的熱點(diǎn)。19 世紀(jì) 50 年代集中在生長，摻雜，傳輸，帶結(jié)構(gòu)和光致發(fā)光。但是由于很難進(jìn)行，研究熱度逐漸減退，從而轉(zhuǎn)向研究尺寸更小的 III-V 族半導(dǎo)體。于其具有外延生長，量子阱，納米結(jié)構(gòu)的潛質(zhì)，對 ZnO 的研究熱現(xiàn)在，更多的是研究其生物傳感性能和光電應(yīng)用[16]。nO 有三種結(jié)構(gòu)：六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)、立方巖鹽礦結(jié)構(gòu)和立方閃鋅礦 1.1 所示（灰色球代表鋅原子，黑色球代表氧原子），六方纖鋅礦穩(wěn)定。ZnO 的晶體結(jié)構(gòu)隨環(huán)境變化改變，室溫下，外部壓力增大時(shí)會變成四方巖鹽礦結(jié)構(gòu)，體積減少約 19%，而閃鋅礦型結(jié)構(gòu)通常只構(gòu)的襯底上生長才會穩(wěn)定存在。同時(shí)，它也是 II-VI 族寬禁帶半導(dǎo)體（25℃）ZnO 帶隙達(dá) 3.37ev，激子束縛能為 60mv，使它成為具有料[17]。

圖 1. 5 靶材濺射工作原理示意圖隨著平面顯示加快向大尺寸發(fā)展，太陽能電池的大范圍使用，高層建筑物玻璃幕墻不斷增多，TCO 薄膜發(fā)展前景廣闊。由于 ZnO 薄膜材料無毒，制備溫度較其他膜材料低，工藝流程簡單，可以實(shí)現(xiàn)摻雜，原材料較其他靶材易得，有非常大的成本優(yōu)勢，所以 ZnO 靶材的市場前景十分廣闊。靶材根據(jù)不同的分類方法有不同的分類，常見的分類主要有以下 3 種，即根據(jù)其主要材質(zhì)分類、根據(jù)其應(yīng)用分類、根據(jù)靶材形狀進(jìn)行分類[49]。目前較為關(guān)注的是管狀靶材。傳統(tǒng)的板狀靶材濺射時(shí)利用率較低，一般只有 20%左右；而管狀空心旋轉(zhuǎn)靶，利用率大大提高，可達(dá) 80%[50]。圖 1.7 為常見的靶材分類。長（正）方體形靶材 半導(dǎo)體領(lǐng)域用靶材金屬（合金）靶材 圓柱體形靶材 記錄介質(zhì)用靶材材質(zhì) 幾何形狀 不規(guī)則形狀靶材 應(yīng)用領(lǐng)域 顯示薄膜用靶材陶瓷靶材 實(shí)心靶材 光學(xué)靶材

課題總體思路

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

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本文編號：2819724