高致密氧化錫銻陶瓷靶材的電場(chǎng)活化燒結(jié)及其薄膜的磁控濺射沉積.pdf

1、氧化錫銻（ATO）薄膜是一種新型透明導(dǎo)電氧化物薄膜，因具有資源豐富、價(jià)格低廉、無毒無污染，且禁帶寬度大（＞3.6eV）、導(dǎo)電性好、可見光透過率高、化學(xué)穩(wěn)定性高、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，而成為最有可能替代氧化銦錫（ITO）薄膜的材料之一。磁控濺射沉積是迄今為止工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的鍍膜方法，但由于SnO2在高溫下（＞1100℃）易揮發(fā)及其在燒結(jié)過程中的蒸發(fā)凝聚機(jī)制，使得ATO陶瓷靶材很難致密化，低致密度的ATO陶瓷靶材制約了ATO薄膜導(dǎo)電性能和光學(xué)

2、性能的提高。
　　因此，本文以磁控濺射沉積的ATO透明導(dǎo)電氧化物薄膜為研究對(duì)象，針對(duì)ATO陶瓷靶材難以燒結(jié)致密的難題，以及高質(zhì)量薄膜對(duì)陶瓷靶材致密度的要求，以非水基溶膠凝膠法制備的ATO納米粉體為原料，降低粉體燒結(jié)活化能，提高燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力；采用電場(chǎng)活化燒結(jié)技術(shù)（Field Activated Sintering Technology，簡稱 FAST），降低燒結(jié)溫度、縮短燒結(jié)時(shí)間，抑制 SnO2的高溫?fù)]發(fā)，制備高致密的ATO陶瓷靶材；

3、采用磁控濺射沉積制備 ATO薄膜，深入研究靶材致密度對(duì)ATO薄膜組成結(jié)構(gòu)及性能的影響，并采用高致密的ATO陶瓷靶材制備低電阻率、高可見光透過率的ATO薄膜。
　　首先，本文以無水乙醇代替苯甲醇作溶劑和氧化劑，采用非水基溶膠凝膠法制備出結(jié)晶性高、銻摻雜含量可控的ATO納米粉體。通過研究絡(luò)合劑含量對(duì)ATO納米粉體物相及結(jié)構(gòu)的影響，確定絡(luò)合劑檸檬酸的最佳配比：檸檬酸與金屬的摩爾比為2。在此配比下，當(dāng)Sb摻雜含量從0at.％增加到30at

4、.％時(shí)，Sb均成功摻雜進(jìn)入SnO2晶格，摻雜可控且無表面偏析現(xiàn)象。ATO納米粉體具有較好的結(jié)晶性，晶粒尺寸大約為20nm。
　　其次，本文以溶膠凝膠法合成的ATO納米粉體為原料，采用電場(chǎng)活化燒結(jié)技術(shù)，制備物相單一、高致密的ATO陶瓷靶材。通過研究燒結(jié)工藝參數(shù)（燒結(jié)溫度、升溫速率和燒結(jié)壓力）、銻摻雜含量和樣品尺寸對(duì)ATO陶瓷顯微結(jié)構(gòu)及致密度的影響，確定了電場(chǎng)活化燒結(jié)的最佳工藝條件；通過分析電場(chǎng)活化燒結(jié)過程中ATO納米陶瓷的結(jié)構(gòu)演變，

5、采用ANSYS軟件數(shù)值模擬電場(chǎng)活化燒結(jié)過程中的電場(chǎng)分布和熱場(chǎng)分布，建立ATO納米導(dǎo)電陶瓷的電場(chǎng)活化燒結(jié)機(jī)制；在高致密ATO陶瓷的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究銻摻雜含量和晶粒尺寸對(duì)ATO陶瓷導(dǎo)電性能的影響。研究表明：在最佳工藝條件（燒結(jié)溫度1000℃，升溫速率100℃/分鐘，燒結(jié)壓力40MPa，保溫時(shí)間3分鐘）下，銻摻雜含量從1at.％增加到10at.％， ATO納米陶瓷的致密度均在95％以上，且銻均成功摻雜進(jìn)入 SnO2晶格。當(dāng)銻摻雜含量為5at.

6、％時(shí)，ATO納米陶瓷的致密度最高為99.2％。電場(chǎng)活化燒結(jié)具有明顯的尺寸效應(yīng)，小尺寸（直徑20mm）樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻、易燒結(jié)致密化，大尺寸（直徑50mm以上）樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻、不易致密化。當(dāng)延長保溫時(shí)間至30分鐘時(shí)，獲得結(jié)構(gòu)均勻、完整、致密（致密度98.1％），樣品直徑為50mm， Sb摻雜含量為5at.％的ATO陶瓷靶材。ATO納米陶瓷的電場(chǎng)活化致密化過程可分為兩個(gè)階段：第一階段，樣品為原始粉料堆積狀態(tài)，電阻率較高，電流主要從石墨模

7、具中通過，樣品熱量全部來自于石墨的熱傳導(dǎo)；第二階段，樣品開始致密化，電阻率降低，部分電流從樣品中流過，蒸發(fā)凝聚再結(jié)晶促進(jìn)物質(zhì)遷移，促進(jìn)致密化，導(dǎo)電性能越好的樣品，通過電流越多，物質(zhì)遷移越快，致密度越高。ATO陶瓷的電阻率隨銻摻雜含量的增加先減小后增加，隨晶粒尺寸的增加而減小。當(dāng)銻摻雜含量為5at.％，晶粒尺寸為50nm時(shí)，ATO陶瓷的電阻率最低為4.43×10-3Ωcm。
　　最后，本文采用磁控濺射沉積制備低電阻率、高透過率的AT

8、O薄膜。研究不同致密度靶材鍍膜前后的組成結(jié)構(gòu)變化、靶材致密度對(duì)ATO薄膜組成結(jié)構(gòu)及性能的影響；并采用成膜效果最佳的ATO靶材，調(diào)控磁控濺射工藝參數(shù)（退火處理、氧氣分壓、沉積溫度、濺射功率），研究工藝參數(shù)對(duì)ATO薄膜組成結(jié)構(gòu)及性能的影響，建立ATO薄膜組成結(jié)構(gòu)與其導(dǎo)電、光學(xué)性能之間的關(guān)系，得到性能最佳的ATO薄膜。研究表明：在相同磁控濺射工藝條件下，市售低致密ATO靶材易結(jié)瘤，易產(chǎn)生微電弧放電，微電弧放電使得靶材表面Sb含量從4.87 a

9、t.％顯著降低至2.03 at.％，Sn（Sn-OH）化學(xué)態(tài)含量從4.05％顯著增加到22.07％，從而導(dǎo)致低致密ATO靶材制備的ATO薄膜Sb含量不到1 at.％，Sb5+/Sb3+比例較低。自制高致密ATO納米陶瓷靶材易于控制ATO薄膜的Sb摻雜含量，有利于制備高載流子濃度、低電阻率、高透過率的ATO薄膜。當(dāng)氧氣分壓為O2/(O2+Ar)=10％，沉積溫度為300℃，濺射功率為300W，濺射30分鐘后于空氣氣氛中450℃退火15分鐘