增強光電性能Zr元素摻雜AZO靶材的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及IPC分類中C23C濺射法金屬材料的鍍覆技術，應用于薄膜制備，繼而應用于光電領域。
【背景技術】
[0002]近些年透明導電氧化物薄膜一直是光電領域的熱點，其中ITO薄膜是目前研究和應用最廣泛的透明導電氧化物(TCO)薄膜，因其良好的光電特性而被廣泛應用于各種光電器件，但因原材料價格昂貴、銦資源稀少且對環(huán)境造成污染，從而限制了它的發(fā)展和應用。
[0003]摻鋁氧化鋅(AZO)薄膜不僅具有與ITO相媲美的光電特性，而且具有資源豐富、材料無毒、在氫等離子體中化學穩(wěn)定性好、成本低廉以及耐磨損等優(yōu)勢，因此AZO薄膜被視為替代ITO薄膜的最佳候選材料，繼而在國內外掀起了研究熱潮。
[0004]AZO(摻招氧化鋅)派射革E材，主要應用于TCO膜(Transparent condactiveoxide，簡稱TC0)的生產。氧化鋅(Zinc Oxide, ZnO)屬于N型I1-VI族半導體材料，為六方纖鋅礦結構，禁帶寬度3.3eV。傳統(tǒng)應用在半導體及壓電材料上。在透明導電膜的應用上，通過摻雜III族元素(鋁、鎵、銦等)，使其導電特性提高，同時也增加其高溫穩(wěn)定性。其中適當量(l-10at% )氧化鋁摻雜，即ΑΖ0，能夠使氧化鋅的導電性變佳，成為低成本制備TCO薄膜產品的具有競爭優(yōu)勢的新材料。AZO透明導電薄膜的制備方法多樣，公認的最佳方法是磁控濺射，此法工藝成熟，薄膜電阻率低、透射率高且表面形貌好，薄膜生長溫度接近室溫，與基板附著性好，能大面積均勻制膜且制膜成本低。
[0005]AZO透明導電薄膜性能與靶材性能密切相關。靶材成分均勻性直接決定所制備薄膜的成分均勻性；靶材晶體結構、晶粒大小及其均勻性則與磁控濺射過程中薄膜生長速度直接相關，因此，為保證濺射薄膜具有較低的電阻率、高的透明性以及薄膜厚度的均勻性，所使用的靶材無論是成分還是晶體取向都必須具有好的均勻性，具備高密度及低的體電阻率。高密度的靶材具有較低的電阻率、較高的熱導率，可在較低基片溫度下濺射而獲得低電阻率、高光透射率的薄膜，低的體電阻率能提高濺射速率。此外，靶材密度低還容易使靶材“中毒”，濺射過程不能連續(xù)，導致薄膜性能劣化，生產效率降低。靶材必須保證高純度，高純度。在制備AZO靶材過程中，應保證氧化鋅復合粉體純度不低于99.95%，例如堿金屬離子(Na,K)易在絕緣層中成為可移動性離子，降低元器件性能，鐵、鎳等重金屬離子會產生界面漏電及氧元素增加、電阻率升高等，所以靶材生產過程中須要嚴格控制雜質的種類與數(shù)量。這樣在靶材使用壽命期間濺射膜才能具有優(yōu)良的均勻性和批量產品質量的一致性。
[0006]靶材尤其是氧化物濺射靶材，特性表征如密度、晶相、晶粒大小及均勻性、燒結體本征體電阻率等往往受綜合因素影響，例如AZO靶材尖晶石相ZnAl2O4的出現(xiàn)不僅僅與燒結溫度有關，粉體特性表征控制與后續(xù)處理、成型制度、燒結氣氛、燒結制度、摻雜劑種類與比例等因素對其形成都有較大影響。因此，在AZO靶材制備中需要綜合研究，保持靶材鍍膜光電性能及其他應用性能的均衡。
[0007]隨著研究的深入，近年來國內外的一些學者們發(fā)現(xiàn)在AZO薄膜摻人其他元素會增強AZO薄膜的光電特性，同時還能優(yōu)化其晶體結構和表面形貌，而且某些元素也能夠提高AZO薄膜的多項性能和穩(wěn)定性，使研究者們看到提高AZO薄膜性能的研究方向，因此為了進一步提升AZO薄膜的各項性能以及穩(wěn)定性，一些研究者把目光轉向了添加劑元素摻入的AZO薄膜上，以便得到性能更優(yōu)異，應用更廣泛的添加劑元素摻入的AZO薄膜以及制備技術。
[0008]目前對添加劑元素摻人的AZO透明導電薄膜的報道主要有:A1-Mn共摻雜ZnO薄膜，Al-Sc共摻雜ZnO薄膜，Al-Gd共摻雜ZnO薄膜，Al-Ti共摻雜ZnO薄膜，Al-N共摻雜ZnO薄膜，Al-Zr共摻雜ZnO薄膜，Al-Cr共摻雜ZnO薄膜等。
[0009]為了獲得不同用途不同要求的高質量的AZO薄膜，國內外已經研發(fā)出多種AZO薄膜的制備技術來調控和改善材料的性能。各種技術雖然各具特點但都致力于完善薄膜性能、降低反應溫度、提高控制精度、降低制備成本和適應大規(guī)模生產。目前AZO薄膜的生產方法主要有:磁控濺射法、超聲噴霧熱解法、溶膠一凝膠法、化學氣相沉積法、脈沖激光沉積法等。而對于添加劑元素摻入的AZO薄膜而言，目前報道的主要用到磁控濺射法、溶膠一凝膠法、脈沖激光沉積法等。
[0010]溶膠一凝膠法存在某些問題:首先是目前所使用的原料價格比較昂貴，有些原料為有機物，對健康有害；其次通常整個溶膠一凝膠過程所需時間較長，常需要幾天或幾周:第三是凝膠中存在大量微孔，在干燥過程中又將會逸出許多氣體及有機物，并產生收縮。
[0011]已公開相關專利文獻較少。中國專利申請201210041329.3涉及一種摻雜氧化鋅基濺射靶材及其制備方法，其特點是化學式為=ZnxAlyMz,其中Al為第一摻雜劑，第二摻雜劑M為選自W、Mo、Nb、Zr、Ce和V中至少一種，其中以原子百分比計91.5 < x < 98.9 ；1< y < 7 ;0.1 < z < 1.5。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果:工藝設備簡單，成本較低，易于工業(yè)化生產。相較于單一 A1203摻雜AZO靶材，其濺射鍍膜層具有高可見光透過率(彡90% )和近近紅外(800-1800nm)高透光性(彡75% )及提高的耐濕熱(60°C，90% RH濕度)特性。

【發(fā)明內容】

[0012]本發(fā)明的目的是提供一種增強光電性能的Zr元素摻雜AZO靶材，利用粉末冶金工藝制備Zr02摻雜AZO靶材，從而增強AZO薄膜的光電性能。
[0013]本發(fā)明的靶材制造工藝包括以下步驟:
[0014]I)將原料粉ZrO2粉與AZO粉混合，摻雜的ZrO 2含量為0.5%，然后對原料粉體進行球磨處理，得到粒度細而均勻的類球形顆粒；
[0015]2)將處理過的粉末進行裝模；
[0016]3)裝模后進行冷等靜壓，壓力范圍10MPa?200MPa，而后進行燒制，燒制溫度范圍為 1200°C?1500°C ；
[0017]4)燒制后得到半成品，靜置冷卻后對半成品進行機械加工，確保內外曲面光滑平整，最終得到Zr元素摻雜AZO的旋轉革E材成品。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點和效果:優(yōu)化晶體結構和表面形貌，增強AZO薄膜的光電特性，提高A薄膜穩(wěn)定性。從而完善薄膜性能、降低反應溫度、提高控制精度、降低制備成本和適應大規(guī)模生產。
【具體實施方式】
[0019]本發(fā)明原理在于，采用粉末冶金法工藝方法，制備Zr元素摻雜AZO靶材。
[0020]粉末冶金是制取金屬粉末并通過成形和燒結等工藝將金屬粉末或與非金屬粉末的混合物制成制品的加工方法，既可制取用普通熔煉方法難以制取的特殊材料，又可制造各種精密的機械零件，省工省料。但其模具和金屬粉末成本較高，批量小或制品尺寸過大時不宜采用。粉末冶金材料和工藝與傳統(tǒng)材料工藝相比，具有以下特點:
[0021]1.粉末冶金工藝是在低于基體金屬的熔點下進行的，因此可以獲得熔點、密度相差懸殊的多種金屬、金屬與陶瓷、金屬與塑料等多相不均質的特殊功能復合材料和制品，比如金屬與非金屬組成的摩擦材料等，控制制品的孔隙率和孔隙大小，可生產各種多孔性才材料和多孔含油軸承。
[0022]2.提高材料性能。用特殊方法制取的細小金屬或合金粉末，凝固速度極快、晶粒細小均勻，保證了材料的組織均勻，性能穩(wěn)定，以及良好的冷、熱加工性能，且粉末顆粒不受合金元素和含量的限制，可提高強化相含量，從而發(fā)展新的材料體系。
[0023]3.利用各種成形工藝，可以將粉末原料直接成形為少余量、無余量的毛坯或凈形零件，大量減少機加工量。提高材料利用率，降低成本。
[0024]下面結合實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0025]實施例1:把內徑為130mm，外徑為150mm的不銹鋼管，噴砂電弧后，電弧一層Ni過渡層；然后將原料粉ZrO2粉與AZO粉混合，使摻雜的ZrO 2含量為0.5%，然后對原料粉體進行球磨處理，得到粒度細而均勻的類球形顆粒；將處理過的粉末進行裝模；裝模后進行冷等靜壓，壓力范圍10MPa?200MPa，而后進行燒制，燒制溫度范圍為1200°C?1500°C ;燒制后得到半成品，靜置冷卻后對半成品進行機械加工，確保內外曲面光滑平整，最終得到Zr元素摻雜AZO的旋轉靶材成品。
【主權項】
1.增強光電性能Zr元素摻雜AZO靶材，其特征在于使用粉末冶金工藝，制取細小金屬或合金粉末，晶粒細小均勻、凝固速度極快，保證了材料的組織均勻，性能穩(wěn)定，以及良好的冷、熱加工性能，且粉末顆粒不受合金元素和含量的限制，可提高強化相含量，從而發(fā)展新的材料體系。 靶材制造工藝包括以下步驟: 1)將原料粉ZrO2粉與AZO粉混合，摻雜的ZrO2含量為0.5%，然后對原料粉體進行球磨處理，得到粒度細而均勻的類球形顆粒； 2)將處理過的粉末進行裝模； 3)裝模后進行冷等靜壓，壓力范圍10MPa?200MPa，而后進行燒制，燒制溫度范圍為1200。。?1500。。； 4)燒制后得到半成品，靜置冷卻后對半成品進行機械加工，確保內外曲面光滑平整，最終得到Zr元素摻雜AZO的旋轉革E材成品。2.如權利要求1所述的增強光電性能Zr元素摻雜AZO靶材，其特征在于使用粉末冶金工藝，制取細小金屬或合金粉末，晶粒細小均勻、凝固速度極快，保證了材料的組織均勻，性能穩(wěn)定，以及良好的冷、熱加工性能，且粉末顆粒不受合金元素和含量的限制，可提高強化相含量，從而發(fā)展新的材料體系。 把內徑為130mm，外徑為150mm的不銹鋼管，噴砂電弧后，電弧一層Ni過渡層；然后將原料粉ZrO2粉與AZO粉混合，使摻雜的ZrO 2含量為0.5%，然后對原料粉體進行球磨處理，得到粒度細而均勻的類球形顆粒；將處理過的粉末進行裝模；裝模后進行冷等靜壓，壓力范圍10MPa?200MPa，而后進行燒制，燒制溫度范圍為1200°C?1500°C ;燒制后得到半成品，靜置冷卻后對半成品進行機械加工，確保內外曲面光滑平整，最終得到Zr元素摻雜AZO的旋轉靶材成品。
【專利摘要】Zr元素摻雜AZO靶材,采用粉末冶金法工藝方法，將原料粉ZrO2粉與AZO粉混合，使摻雜的ZrO2含量為0.5％，然后對原料粉體進行球磨處理，得到粒度細而均勻的類球形顆粒；將處理過的粉末進行裝模；裝模后進行冷等靜壓，壓力范圍100MPa～200MPa，而后進行燒制，燒制溫度范圍為1200℃～1500℃；目的是優(yōu)化晶體結構和表面形貌，增強AZO薄膜的光電特性，提高薄膜的穩(wěn)定性。從而完善薄膜性能、降低反應溫度、提高控制精度、降低制備成本和適應大規(guī)模生產。
【IPC分類】C04B35/622, C23C14/34, C04B35/453
【公開號】CN105063559
【申請?zhí)枴緾N201510504700
【發(fā)明人】賈澤夏, 莊志杰
【申請人】基邁克材料科技（蘇州）有限公司
【公開日】2015年11月18日
【申請日】2015年8月17日