Kategorija proizvoda
Obratite nam se

Haohai Metal Meterials Co., Ltd.

Haohai Titanium Co, Ltd


Adresa:

Plant br.19, TusPark, Century Avenue,

Xianyang City, Shaanxi Pro., 712000, Kina


Tel:

+86 29 3358 2330

+86 29 3358 2349


Fax:

+86 29 3315 9049


E-mail:

Info@pvdtarget.com

Sales@pvdtarget.com



Dežurnoj servisnoj telefonskoj liniji
029 3358 2330

Tehnologija

Dom > TehnologijaSadržaj

Priprema Al-dopiranog meta raspršivača ZnO vrućim prešanjem

Priprema Al-dopiranog meta raspršivača ZnO vrućim prešanjem


1. Uvod


Poznato je da tanki film ZnO (AZO) dopiran aluminijem ima visoki prolaznost u vidljivom području, a niski otpor, a njegov optički pojas može se kontrolirati sadržajem Al. AZO filmovi imaju potencijalne primjene u solarnim ćelijama, antistatičkim premazima, uređajima za prikazivanje na čvrstom stanju, optičkim premazima, grijačima, odleđivačima itd. Posebno, AZO film je stabilniji. Prema tome, AZO je jedan od najboljih supstituta ITO koji se koristi kao transparentni vodljivi film (TCO).


AZO film se može pohraniti na nekoliko načina. Trenutno, magnetronsko raspršivanje je naširoko korišteno zbog visoke brzine taloženja i dobre adhezije između filma i supstrata. Za nanošenje AZO filma korišteni su metalni ciljevi. Međutim, utvrđeno je da je ciljni život bio ograničen zato što se na površini meta često formirao oksidni sloj. Dakle, poželjno je da se koriste keramičke mete.


AZO je vrsta jako dopiranog poluvodičkog materijala n-tipa. Za AZO keramičke ciljeve, gustoću, faznu strukturu, veličinu pora i njegovu distribuciju, veličinu zrna i otpornost su osnovna svojstva. Nedavno su mnogi istraživači istraživali pripremu AZO meta za sputter sa super visokom gustinom i malom otpornošću. Međutim, malo pažnje je posvećeno promjeni strukture i evoluciji pora tokom sinterovanja. Takođe, kada je proces sinterovanja izveden u atmosferi, povećanje temperature sinterovanja je način za postizanje visoke gustine, ali se istovremeno povećava sadržaj druge faze ZnAl 2 O 4 , što rezultira lošim električnim svojstvima AZO cilja. Visoka temperatura sinterovanja može donijeti više mogućnosti abnormalnog rasta zrna. Sinteriranje pod visokim pritiskom i sol-gel su dvije metode za postizanje visoke gustoće. Nažalost, oni su preskupi za industrijalizaciju. Usprkos tome, toplo prešanje je umjeren način na koji se meta može zgusnuti pod umjerenim pritiskom i temperaturom. Pored toga, to je neka vrsta brzog procesa zgušnjavanja i rast zrna se dešava vrlo malo.


Stoga, u ovom radu, AZO meta se pravi metodom vrućeg presovanja. Istražuju se relativna gustina, evolucija pora, morfologija loma, promjena strukture strukture i otpornost kako bi se ilustrirali procesi pripreme AZO cilja.



2. Eksperimentalno


Korišćeni su komercijalni cink oksid (srednja veličina čestica oko 600 nm) i aluminijev oksid (srednja veličina čestica oko 100 nm). Koristeći dvostruku mješalicu, ZnO i Al 2 O 3 u masenom omjeru 98: 2 miješali su se 32 sata u bočici s kuglicama od ahata.


Pomešani prašak je sipan u grafitni kalup. Kalup je postavljen u peć na stroju za toplo prešanje . Pod određenim pritiskom i temperaturom za vrijeme čuvanja, AZO ciljevi su bili zgusnuti sa zaštitom argona.


Gustina je merena Arhimedovom metodom. Morfologija loma je uočena pomoću skenirajućeg elektronskog mikroskopa (JSM-6510, Japanska elektronika). Veličina pora i njena distribucija analizirani su pomoću živog intradinzijskog porozimetra (Auto Pore IV 9510, Micromeritics Instrument, Inc.). Struktura faze analizirana je pomoću rendgenskog difraktometra sa monokromiranim Cu Ka X-zrakama (D / max 2500, Japan Electronics). Otpornost je mjerena sondom s četiri točke (SDY4, Guangzhou Institute of Semiconductor Materials).



3 Rezultati i diskusija


3.1 Efekti uslova vrućeg presovanja na relativnu gustinu AZO cilja

Teorijska gustina AZO (2% Al2O3) je 5,56 g / cm3. Slika 1 prikazuje uticaj temperature na relativnu gustoću AZO cilja.


Fig.1

Slika 1 Utjecaj temperature na relativnu gustoću AZO meta zgusnut na 35 MPa za 120 min


Kao što je prikazano na slici 1, sa povećanjem temperature od 800 ° C do 1100 ° C, relativna gustina AZO meta naglo raste sa 79,4% na 95,2%. Tokom procesa sinterovanja, pokretačke sile koje ubrzavaju kontakt čestica jedna sa drugom uključuju van de sila, elektrostatičku silu, silu hemijske veze i silu elektronike. Naročito, sila hemijske veze igra veliku ulogu, jer na površini čestica postoji veliki broj vezanih veza. Sa povećanjem temperature, povećava se difuzija atoma. Dakle, dva površinska atoma lakše prelaze potencijalnu barijeru da bi se udružili kemijskom vezom. Stoga je uticaj temperature na relativnu gustinu vrlo značajan.


Slika 2 prikazuje efekat pritiska na relativnu gustinu AZO cilja. Sa povećanjem pritiska od 15 MPa do 35 MPa, relativna gustoća se povećava sa 88% na 95,2%.


Fig.2

Slika 2 Uticaj pritiska na relativnu gustoću AZO cilja zgusnut na 120 ° C na 1150 ° C


SHI je zaključio jednadžbu zgušnjavanja za toplo prešanje:

equation-1

gde je ρ gustina; t je vrijeme; K je odnos ukupnog broja pora prema broju čestica; D eff je efektivni koeficijent difuzije; Is a je zapremina difuznih čestica; D je prosječna veličina čestica; k je Bolcmanova konstanta; T je termodinamička temperatura; σ eff je efektivno pritisno naprezanje; γ s je površinska napetost. Postoji jedna jednadžba između σ eff , ρ i vanjskog tlaka p a .

equation-2

Eq. (2) pokazuje da je efektivno napon pritiska (σ eff ) funkcija pritiska i gustoće. Kada je pritisak povećan sa 15 MPa na 20 MPa, povećao se σ eff . Dakle, pritisak je odigrao glavnu ulogu u povećanju relativne gustine sa 88% na 90,5%. Kada je pritisak bio između 20 MPa i 30 MPa, brzina zgušnjavanja je ubrzana sa povećanjem pritiska. Ali zauzvrat, kada je relativna gustina bila viša, efektivni pritisak će se smanjiti, što će rezultirati nižom stopom zgušnjavanja. Dakle, konačna relativna gustina cilja je neznatno povećana sa 90,5% na 91,6%. Kada je pritisak bio viši od 30 MPa, pritisak je ponovo imao glavnu ulogu u povećanju relativne gustine sa 91,6% na 95,2%. Dakle, konačna relativna gustina je bila interakcija pritiska i same relativne gustine. Kao što je prikazano na slici 2, sa povećanjem pritiska, relativna gustina je S-oblika povećana.


Pored temperature i pritiska, vreme čuvanja takođe utiče na relativnu gustinu AZO cilja. Kada se zgusne na 1100 ° C i 35 MPa sa 0,5, 1 i 2 h vremena čuvanja, relativne gustine cilja su dostigle 92,5%, 94,6% i 95,2%, respektivno. Pri 1100 ° C i istom pritisku, čak i kada se vrijeme čuvanja povećalo na 10 sati, došlo je do ograničenog povećanja konačne relativne gustoće koja je dostigla samo 94,1%; dok je uzorak vruće presovan na 1100 ° C sa vremenom čuvanja od 1 h mogao da dostigne 94,6%. Zaključeno je da je temperatura odigrala najvažniju ulogu u AZO ciljanju densifikacije. Međutim, pritisak i vreme čuvanja su takođe važni faktori za postizanje cilja visoke gustine.


3.2 Evolucija pora

U keramičkoj meti postoje dvije vrste pora, pore kanala i izolirane pore. Prema Cobleovoj definiciji, pore u kanalima postoje u prvoj i drugoj fazi, a izolovane pore se generišu u trećoj fazi. WILKINSON i ASHBY su proučavali proces sinterovanja vrućim pritiskom i otkrili da se može podijeliti u dvije faze: fazni kanal u kanalu i izolirani stadij pore. Veličina pora kanala i njena distribucija mogu se mjeriti porozimetrom za provalu žive. Izolovana veličina pora se ne može direktno testirati, ali se njen volumenski sadržaj može izračunati iz relativne gustoće i volumnog sadržaja pora kanala prema sljedećoj jednadžbi.


gde je isRD relativna gustina cilja; isC je volumenski udio u porama kanala; isI je volumni udio izoliranih pora. Dakle, iz DRD i ,C, canI se može izvesti.


Kako bi se istražila evolucija pora tokom procesa zgušnjavanja, miješani prah ZnO i Al2O3 pečen je na 900 ° C tokom 2 h tako da je uklonjen isparljiv ili vlaga. Takođe, s obzirom da je temperatura bila najvažniji faktor, ovo istraživanje se uglavnom fokusiralo na uticaj temperature na promenu pora u toku zgušnjavanja vrelim presovanjem. Kada je pritisak bio 18 MPa, vreme čuvanja je bilo 30 min, a temperature su bile 850, 950, 1 050 i 1 150 ° C, respektivno, ciljni uzorci su bili vruće presovani odvojeno. Analizirani su ,RD, ,c, wereI i rezultati su prikazani u tabeli 1. \ t


Tabela 1 Evolucija pora u AZO meti pri različitim temperaturama vrućim prešanjem


Kao što je prikazano u tabeli 1, sa povećanjem temperature od 850 ° C do 1 050 ° C, wasRD je povećan

oštro sa 51,7% na 80,3%, u isto vrijeme, decreasedC je značajno smanjen sa 45,7% na 19,6%. Kada je temperatura vrućeg pritiska bila povećana na 1 150 ° C, decreasedC se smanjio na 0, otkrivajući da su sve pore kanala postale izolovane. Kao što se vidi iz tabele 1, prosečni prečnik kanala kanala povećan je sa 136.78 nm na 169.08 nm sa povećanjem temperature od 850 ° C do 950 ° C. Pokazano je da postoji kombinacija i rast kanala u toku procesa zgušnjavanja. Zapravo, ova vrsta kombinacije i rasta je takođe jedna od pokretačkih sila zgušnjavanja. Slika 3 otkriva detalje evolucije pore kanala. Kada je temperatura bila 950 ° C, povećan je prečnik pora. Štaviše, s porastom temperature, raspodjela veličine pora bila je sužena iako se prosječan promjer nije značajno promijenio. Međutim, broj pora kanala se smanjio na 0 kada je temperatura bila 1 150 ° C, što znači da

sve pore kanala su izolovane.


Slika 3 Kumulativna površina pora u odnosu na prečnik pora u AZO meti zgusnuta je na različitim temperaturama 30 min


Slika 4 prikazuje promjenu izoliranih pora. Volumenski udio je minimalan pri temperaturi od 1050 ° C. Pri nižim temperaturama, neke izolovane pore su otvorene za vrijeme zgušnjavanja, a na temperaturi višoj od 1050 ° C, volumni udio je znatno porastao. Može se vidjeti da je na temperaturi od 1 150 ° C, volumni udio izoliranih pora bio 5,2%. Vjerovatno je to doprinijelo super brzom rastu vrata na visokoj temperaturi.


Slika 4 Obimni udio izoliranih pora u AZO meti u odnosu na temperaturu


Slika 5 prikazuje SEM slike morfologije loma AZO ciljnih uzoraka. Kao što je prikazano na slici 5, jasno se može uočiti rast vrata. Kada je temperatura bila 850 ° C, čestice su se približile, vrat za sinterovanje se tek počeo formirati, ali nije bilo očiglednog rasta vrata. Pore su bile međusobno povezane. Izolovane pore nisu bile vidljive. Na slici 5 (b) počeo je rast vrata i rezultirao je rastom pora. Pore su i dalje bile kanal. Kada je temperatura porasla do 1 050 ° C, došlo je do daljnjeg rasta grla. Međutim, kao što je prikazano na slici 4, pore su bile nepokretnog kanala. Kada je temperatura bila 1 150 ° C, uočen je značajan rast vrata. Istovremeno, čestice

postali su međusobno povezani i pore su se izolovale.


XIAO i saradnici [11] uveli su formiranje nodula dok je meta bila prskana. Niska gustina je bila mogući razlog za nastanak nodula. Međutim, izolovane pore mogu biti drugi faktor koji donosi nodule. Zato što bi izolovane pore eksplodirale kada bi plazma udarila tokom magnetronskog prskanja. Stoga je bilo veoma važno minimizirati zapreminski udio izoliranih pora.


Slika 6 prikazuje SEM sliku AZO meta vruće prešanog na 18 MPa i 1 150 ° C tokom 2 h.


Relativna gustina je mjerena na 96% i neznatno povećana. Porozimeter za prodiranje žive nije otkrio pore kanala. Kao što je prikazano na slici 6, pore su izolovane, otkrivajući da se sa produžavanjem vremena čuvanja izolirane pore ne mogu efikasno ukloniti.


Brzina grijanja, gustoća zelene kompaktnosti i temperatura su glavni faktori koji mogu dovesti do izoliranih pora. Kao što je prikazano na slici 4, volumni udio izoliranih pora bio je minimalan na temperaturi od 1050 ° C. Zbog toga je, da bi se postigao cilj veće gustine sa minimiziranim volumnim udjelom izoliranih pora, izvršeno dvostepeno toplo prešanje. U prvoj fazi, vruće prešanje je obavljeno na 1 050 ° C tokom 1 h, a zatim je meta dalje vruća prešana na 1 150 ° C još 1 h. Na slici 7 prikazana je morfologija loma SEM AZO meta. Kao što je prikazano na slici 7, meta je bila vrlo gusta. Malo izolovanih pora može se uočiti. Relativna gustina je izmjerena na 99%, vrlo blizu teorijske gustoće.


Slika 5 SEM slike morfologije loma AZO meta pri različitim temperaturama i 18 MPa 30 min: (a) 850 ° C; (b) 950 ° C; (c) 1 050 ° C; (d) 1 150 ° C


Slika 6 SEM slika AZO meta vruće prešana na 18 MPa i 1 150 ° C tokom 2 h


Slika 7 SEM slika AZO meta napravljena dvostrukim vrućim prešanjem


SUN et al. [15] pripremili su AZO cilj sa relativnom gustoćom od 99,6% sinterovanjem klizanja bez pritiska

casting. Ali temperatura sinterovanja od 1 400 ° C bila je mnogo veća.



3.3 Promjena strukture faze tijekom vrućeg prešanja

Sadržaj spinel faze je uspoređen između ciljeva napravljenih vrućim prešanjem i sinteriranjem u atmosferi na temperaturi od 1 100 ° C. Slika 8 prikazuje razliku u XRD uzorcima AZO ciljeva. Kao što je prikazano na slici 8 (a), glavni vrhovi su bili skoro isti. Na slici 8 (b) prikazani su uvećani profili vrha ZnAl2O4 na 2θ = 64.7 ° −65.6 °. Tokom procesa vrućeg prešanja AZO meta, dešavaju se dvije reakcije. Jedna je da Al dopant difundira u ZnO rešetku da zameni Zn, a drugi je da ZnO reaguje sa Al2O3 da formira spinel fazu ZnAl2O4. Ove dvije reakcije mogu se izraziti na sljedeći način:


Iz slike 8 (b) se može vidjeti da je sadržaj spinele u vruće prešanoj meti niži od sadržaja dobivenog sinterovanjem u atmosferi. Zapravo, temperatura sinterovanja je obično bila viša od 1 300 ° C u sinterovanju bez pritiska. Dakle, sadržaj faze spinela u meti napravljen sinterovanjem u atmosferi bio je mnogo veći od onog u meti napravljenom vrućim prešanjem.

Na slici 9 prikazana je evolucija fazne strukture s temperaturom tijekom vrućeg prešanja. Može se vidjeti da na temperaturi nižoj od 900 ° C, u meti postoji faza Al2O3. Kada je temperatura bila 1 000 ° C, faza Al2O3 nestaje, ali dolazi do faze ZnAl2O4. A na temperaturi od 1 100 ° C, sadržaj faze ZnAl2O4 je blago povećan.


8 XRD dijagrami AZO meta napravljenih vrućim presovanjem i sinterovanjem u atmosferi: (a) XRD obrasci; (b) Povećani profili na 2θ = 64.7 ° -65.6 °

Slika 9 Evolucija fazne strukture AZO ciljeva na različitim temperaturama vrućim pritiskom na 35 MPa tokom 2 h



3.4 Utjecaj temperature i vrijeme čuvanja na električnu otpornost AZO cilja


Prema reakciji (4), kada jedan Al3 + zamijeni jedan Zn2 +, generira se jedan višak elektrona. Prema tome, AZO meta može biti dobar provodnik električne energije. Otpornost AZO mete zavisi od količine Zn2 + iona zamenjenih Al3 + jonima tokom vrućeg prešanja. Na slici 10 prikazana je promjena otpornosti AZO cilja s temperaturom vrućeg pritiska.


Slika 10 Utjecaj temperature vrućeg prešanja na otpornost AZO na 35 MPa tijekom 2 h


Sa slike 10 se može vidjeti da se na temperaturi od 900 ° C, reakcija supstitucije dogodila iako postoji Al2O3 faza, kao što je prikazano na slici 9. Ali pošto se reakcija supstitucije nije desila efikasno, otpornost je bila na visokom nivou. . Kada je temperatura vrućeg pritiska povećana na 1 000 ° C, otpor je naglo opao, od 0.08 tocm do 0.018 Ω⋅cm. Pokazalo se da su mnogi ioni Zn2 + zamenjeni Al3 + jonima. Međutim, kada je temperatura bila povećana na 1 100

° C, otpor se smanjio na 0,006 3 cm2. Pokazalo se da su mnogi ioni Zn2 + dalje zamenjeni Al3 +. U međuvremenu, generacijom ZnAl2O4, kao što je prikazano na slici 9, trend smanjenja otpornosti je usporen jer je ZnAl2O4 djelovao kao centar rasipanja elektrona koji je snizio pokretljivost elektrona.


Na slici 11 prikazan je trend razvoja otpornosti AZO cilja sa vremenom očuvanja na vrućem

temperatura pritiska od 1 100 ° C. Generalno, otpor se smanjivao sa povećanjem vremena čuvanja. Od 0.5 h do 1 h, otpor je brzo smanjen sa 0.01 Ω⋅cm na 0.006 quicklycm.

Tokom ove faze, supstitucija je dominantan proces, što dovodi do manjeg otpora. Od 1 h do 2 h, otpor je bio skoro isti. Verovatno je tokom ove faze efekat reakcije supstitucije i stvaranje ZnAl2O4 uravnotežen. Sa toplim pritiskom, zamjena je postala dominantan proces koji je doveo do smanjenja električnog otpora na 3 × 10−3 Ω⋅cm.


Slika 11 Uticaj vremena čuvanja na otpornost AZO cilja vruće prešanog na 1 100 ° C i 35 MPa


4. Zaključak

1) Sa povećanjem temperature, pritiska i vremena čuvanja, povećana je relativna gustina AZO meta načinjenog metodom vrućeg prešanja. Međutim, temperatura je bila važniji faktor. Na 1 050 ° C, volumenski udio izoliranih pora bio je minimalan.

2) Snažno visoko gustoća AZO meta (99% relativne gustine) napravljena je dvostepenim postupkom vrućeg presovanja.

3) Na temperaturi nižoj od 900 ° C, postojala je Al2O3 faza; na temperaturi višoj od 1 000 ° C nastala je faza ZnAl2O4 i njen sadržaj je povećan s porastom temperature.

4) Metoda vrućeg prešanja imala je prednost u odnosu na sinteriranje u atmosferi da je sadržaj ZnAl2O4 manji, a temperatura sinterovanja također manja.

5) Sa povećanjem temperature vrućeg presovanja i vremena čuvanja, električni otpor AZO meta

znatno umanjena. Nizak otpor 3 × 10−3 Ω⋅cm je postignut pod pritiskom od 35 MPa, temperature od 1 100 ° C za 10 h vremena čuvanja vrućim prešanjem.


Par: ne

Sljedeći: ne