CuAlO陶瓷靶材的制備及其性能研究.ppt

CuAlO2陶瓷靶材的制備及其性能研究,北京冠金利新材料科技有限公司,引言,1997年,Kawazoe等提出了價(jià)帶化學(xué)修飾理論(CMVB),依據(jù)該理論人工設(shè)計(jì)并成功制備了p型CuAlO2薄膜,室溫下薄膜的電導(dǎo)率為09510-1Scm-1。隨后相繼發(fā)現(xiàn)了多種p型透明導(dǎo)電氧化物(TCO)材料,除銅鐵礦型的AMO2(A=Cu、Ag,M=+3價(jià)金屬)外,又合成制備了SrCu2O2、Cu-GaO2、CuCrO2、CuYO2和LnCuOS (Ln =稀土金屬)等。目前p型透明導(dǎo)電氧化物材料的研究主要集中在含銅化合物,這是由于銅的金屬性不太強(qiáng),其3d能級(jí)與氧2p能級(jí)比較接近,相互之間的作用削弱了陽(yáng)離子對(duì)空穴的局域化作用,對(duì)p型導(dǎo)電非常有利。CuAlO2除了透明導(dǎo)電性外,近年又發(fā)現(xiàn)了其具有光伏特性、對(duì)臭氧的氣敏性以及熱電特性等。目前制備的p型CuAlO2薄膜電導(dǎo)率還很低,與常見的n型In2O3Sn8(ITO)及SnO2F相比低34個(gè)數(shù)量級(jí),目前文獻(xiàn)報(bào)道的CuAlO2靶材電導(dǎo)率最大為80310-3Scm-1。,試驗(yàn)多采用陶瓷靶材通過(guò)磁控濺射和脈沖激光沉積技術(shù)來(lái)制備CuAlO2薄膜。結(jié)構(gòu)和性能良好的CuAlO2靶材是制備高質(zhì)量薄膜的先決條件。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了正交實(shí)驗(yàn)(見表1)來(lái)研究高溫固相燒結(jié)溫度和時(shí)間對(duì)CuAlO2靶材的結(jié)構(gòu)、密度以及電導(dǎo)率的影響。,試驗(yàn),試驗(yàn)選用分析純Cu2O ( 900%,粒徑105m),分析Al2O3(999%,粒徑1325m)粉體作原料,將Cu2O和Al2O3粉末按照摩爾比11的比例進(jìn)行配料,使用瑪瑙研缽充分研磨均勻后放入剛玉坩堝,在不同溫度與時(shí)間下進(jìn)行預(yù)燒,并使其隨爐冷卻至常溫,經(jīng)X射線衍射(XRD)測(cè)試得到了物相較純的CuAlO2粉末。 將預(yù)燒獲得的純相CuAlO2粉末再次研磨,使用769YP型粉末壓片機(jī)壓制成形。然后在箱式電爐中按設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)條件進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)。使用BDX3200型X射線衍射儀對(duì)靶材進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能表征,采用2掃描方式對(duì)樣品進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,輻射源為Cu-K射線(=0154 06nm),然后與標(biāo)準(zhǔn)PDF衍射卡片對(duì)照,分析不同燒結(jié)條件下所得CuAlO2材料的結(jié)構(gòu)及組成。阿基米德排水法測(cè)試靶材密度。自制的R-T測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量靶材電學(xué)性能。采用菲利普公司生產(chǎn)的XL30E電子顯微鏡對(duì)陶瓷斷面進(jìn)行形貌測(cè)試。,結(jié)果與討論,XRD測(cè)試分析 圖1為正式燒結(jié)的CAO陶瓷靶XRD圖譜,通過(guò)對(duì)比PDF標(biāo)準(zhǔn)卡片(35-1401)可以看出:燒結(jié)溫度在1 100以上的靶材,燒結(jié)后均成為純CuAlO2相。1 100條件下13#樣品主峰衍射強(qiáng)度依次增加,且晶粒尺寸逐漸增大; 1 150條件下46#樣品衍射峰相對(duì)強(qiáng)度和半高寬較為接近,燒結(jié)時(shí)間對(duì)晶粒大小影響較小; 1 200條件下79#主峰衍射強(qiáng)度降低, (006)峰強(qiáng)度和半高寬沒(méi)有發(fā)生明顯變化,說(shuō)明CuAlO2陶瓷靶材的晶粒沒(méi)有再長(zhǎng)大,而且擇優(yōu)取向生長(zhǎng)也沒(méi)有進(jìn)一步增強(qiáng),此時(shí)再增加燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間沒(méi)有任何意義,據(jù)此判斷1150燒結(jié)溫度較為適宜。通過(guò)計(jì)算,得到平均晶胞參數(shù)為a=0285 75nm,c=1691 23nm,PDF標(biāo)準(zhǔn)卡片中的晶胞參數(shù)的理論值為a=0285 67nm,c=1694 3nm,兩者較為一致。,密度測(cè)試分析 圖2為陶瓷靶材密度測(cè)試結(jié)果,陶瓷靶材的密度采用阿基米德排水法測(cè)量,計(jì)算公式為:=0m0m0-m(1)式中:為陶瓷密度,m0為陶瓷在空氣中質(zhì)量,m為陶瓷在水中質(zhì)量,0為蒸餾水的密度。1#、2#、3#樣品在1 100溫度進(jìn)行燒結(jié)時(shí),規(guī)律性比較明顯,燒結(jié)時(shí)間越長(zhǎng),CuAlO2陶瓷靶材密度越低,該溫度下隨著時(shí)間延長(zhǎng)小晶粒團(tuán)聚成大晶粒的同時(shí)晶粒間的空隙增大,密度反而減小; 4#6#樣品及7#9#樣品分別提高燒結(jié)溫度到1 150和1 200,隨燒結(jié)時(shí)間延長(zhǎng),密度先增大后減小,其中5#樣品(燒結(jié)溫度為1150時(shí)間為10h)具有最大密度,為4829 9gcm-3,約為理論密度5099 2gcm-3的95%。從4#9#樣品可以看出, 5h燒結(jié)時(shí)間不能獲得高密度的CuAlO2靶材, 10h燒結(jié)時(shí)間獲得了較為理想的晶粒尺寸和靶材密度。隨著時(shí)間再增加,陶瓷內(nèi)部出現(xiàn)氣孔微增的傾向,同時(shí)晶粒尺寸過(guò)大致使靶材密度反而降低。所以,燒結(jié)溫度為1 150、燒結(jié)時(shí)間為10h是靶材燒結(jié)的優(yōu)化試驗(yàn)條件。,R-T測(cè)試分析 采用四探針?lè)▽?duì)燒結(jié)制備出的CuAlO2陶瓷進(jìn)行R-T測(cè)試,研究陶瓷靶材的電導(dǎo)性能。根據(jù)R-T測(cè)試結(jié)果繪出了靶材的電阻溫度系數(shù)(TCR)曲線,如圖3所示,從圖中可以看出:在整個(gè)溫度區(qū)間內(nèi),除了兩端(200K和300K附近)TCR數(shù)值有點(diǎn)起伏,總體隨溫度的降低呈增大趨勢(shì), 2#樣品(燒結(jié)溫度1 100、燒結(jié)時(shí)間10h)的TCR值最大為7%。圖中插圖為1#9#樣品室溫(300K)TCR曲線,從圖中可以看出, 1#9#樣品的室溫電導(dǎo)率漲落較大,其中1#樣品(燒結(jié)溫度1 100、燒結(jié)時(shí)間5h)的室溫TCR數(shù)值最大,為468%。根據(jù)四探針?lè)娮杪视?jì)算方法計(jì)算了5#CuAlO2靶材的室溫電導(dǎo)率為1310-2Scm-1,比報(bào)道的最大電導(dǎo)率80310-3Scm-1要大,根據(jù)電導(dǎo)率關(guān)系式。根據(jù)ln-T-1關(guān)系繪出電導(dǎo)率隨溫度變化關(guān)系曲線,如圖4所示。從圖中可以看出, ln與T-1線性關(guān)系良好,曲線符合Arrhenius線形變化規(guī)律, 1#9#樣品曲線斜率基本一致,其中, 2#樣品在整個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)數(shù)值最低,其電導(dǎo)率最小。圖4中的插圖為室溫300K時(shí)1#9#樣品的電導(dǎo)率,從圖中可以看出, 3#和7#品室溫電導(dǎo)率較大, 2#樣品室溫電導(dǎo)率為最小。由電導(dǎo)率曲 線斜率可計(jì)算出5#樣品的熱激活能為0265eV, 1#9#樣品的 平 均熱激活能為027eV。,斷面形貌分析 對(duì)5#靶材的斷面進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)測(cè)試。CuAlO2靶材晶粒呈層狀結(jié)構(gòu)排列,層與層之間有明顯的晶界,表面有一些取向不一致的晶粒排布,這說(shuō)明CuAlO2陶瓷具有C軸擇優(yōu)取向生長(zhǎng)的趨勢(shì),陶瓷結(jié)構(gòu)較為緊密。,結(jié)論,利用固相燒結(jié)法制備CuAlO2靶材, XRD圖譜表明,制備的靶材都為純相銅鐵礦結(jié)構(gòu);通過(guò)R-T測(cè)試靶材的電學(xué)性能,繪出了TCR及電導(dǎo)率與溫度變化的關(guān)系曲線。綜合比較XRD、