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铟锡氧化物陶瓷靶材热等静压致密化研究

文章编号:lOOl一973l(2000)04一0383一02

铟锡氧化物陶瓷靶材热等静压致密化研究’

张树高,扈百直,吴义成,方勋华,黄伯云

(中南工业大学粉末冶金国家重点实验室,湖南长沙410083)

摘要:用化学共沉淀法制备了铟锡氧化物(IT0)复合粉末。粉末经冷等静压成型后进行热等静压致密化。热等静压时采用硖钢作包套,采用铜箔作隔层。实验研究了热等静压工艺参数——保温温度、保压压力和保温时间对IT0陶瓷靶材致密化的影响。实验结果表明:靶材的相对密度在大约1000℃处有一峰值;相对密度随压力增加而增加;当保温温度较低时,适当延长保温时间有利于提高密度;当保温温度较高时,延长保温时间反而使密度降低。分析了ITo在高温下的分解行为以及这种行为对致密化的作用。还分析了IT0复合粉末部分脱氧使IT0陶瓷半导化的机理。

关键词:铟锡氯化物;陶瓷靶材;热等静压;致密化

中图分类号:TN304.2l文献标识码:A

1引言

铟锡氧化物(IndiumTinoxide.ITo)薄膜是一种n型半导体陶瓷薄膜,具有导电性好(电阻率10-‘Q?cm量级)、对可见光透明(透光率>85%)和对红外光反射能力强等特点,因而被大量应用于电学、光学领域。IT0薄膜最典型的应用是用于平面显示器[】],如大屏幕液晶显示(LCD)、电致发光显示(ELD)、电致彩色显示(ECD)等。一半以上的IT0薄膜用于平面显示器。制备ITo薄膜的方法很多,例如直流磁控溅射法、化学气相沉积(CVD)法、喷雾热分解法、溶胶~凝胶法。但应用最广的方法是直流磁控溅射法。该方法工艺控制性好,可以在大面积基体上均匀成膜。工业生产也主要用这种方法。其基本原理是:在电场和交变磁场作用下,被加速的高能粒子轰击ITo靶材表面,能量交换后靶材表面的原子脱离原晶格而逸出,并转移到基体表面而成膜。要获得高质量的ITo薄膜,高密度、高纯度、高均匀性的IT0靶材是关键。制备ITO靶材的方法主要有烧结法、热压法和热等静压法。本文报道作者用热等静压法(HIP)制备高密度IT0靶材的研究结果。

我国拥有丰富的铟资源,其储藏量为世界之首。我国又是平面显示器生产大国,但所用IT0靶材全部依赖进口。因此,开发ITo靶材制备技术具有十分重要的意义。

2实验方法

以金属铟和SnCk?5H20为源物质,按90%111203+lo%Sn02(质量分数)配比.用化学共沉淀法制备IT0复合粉末。为使复合粉末失去部分氧,需要在高于1000℃的温度下进行热处理。

将得到的ITo复合粉末进行冷等静压(CIP)成型。CIP是

?收稿日期。1999—05一04

‘功能材料》2000,3l(4)

在瑞典产型号为ASEAQIC80的冷等静压机上进行的。选用乳胶作包套材料。CIP传压介质为乳化液。成型压力为200MPa。所得坯体的密度为60%。

将所得坯体装入碳钢包套(热包套)。在包套与坯体之间置入厚度为O.1mm的铜箔作隔层,以阻止坯体与包套在高温下因反应而相互扩散。对装人包套的坯体抽真空以除去其中的水份和空气,然后将包套密封。HIP是在瑞典产型号为ASEAQIHl6的热等静压机上进行的。HIP传压介质为Ar。改变HIP的主要工艺参数——保温温度、保压压力、保温时间,可以获得不同密度的IT0靶材。

3实验结果

3.1保温温度对密度的影响

图1为不同保温温度下HIP后样品的相对密度与温度的关系。HIP时所用的保压压力为128MPa,保温时间为3h。从图1可知.相对密度随温度的升高而变化;温度为looo℃时对应的密度最高。

Tempe陌山r一℃

图1相对密度与温度的关系

Fig1Relationshipbetweenrelativedensityandma)【imumtem一

图2相对密度与压力的关系

Fig2Relationshipbet、Ⅳeenfelativedensityandma】【imumpres—SUre

3.2保压压力对密度的影响

图2为不同保压压力下HIP后样品的相对密度与压力的4譬兽n暑6

占再_一

 万方数据

关系。HIP时所用的保温温度为1000℃,保温时间为3h。从图l可知。相对密度随压力升高而增大,但增大的幅度不大。

3.3保置时间对密度的影响

图3为不同保温时间的条件下HⅢ后样品的相对密度与保温时间的关系。HIP时所用的保温温度为1000℃.所用的保压压力为128MPa。从图3可知,当温度较低(950℃)时,延长保温时同t密度有所增加;当温度较高(1050℃)时,延长保温时问.密度不仅不增加,反而有所下降。

Fig3Reladonshipbetweenreladveden8ityandtime

4实验结果分析

4.1lTo在膏温下的行为

温度高于750℃时,ImO。将接下式发生分解‘。a]:

I啦(X—In±0+ot(g)(1)研究表明.当温度为1000℃时,如果n为lPa.则Inlo的分压为4×10-‘Pa}当温度为1200℃时,如果ol为1Pa,则IIIIo的分压为1.2×lo叫Pa。因此,在高温下.Ir-lo将发生比较剧烈的分懈。

另一方面,高温下Snol将发生如下的分解反应t

S“h(5)一Sn(1)+oI(g)(2)例如,当温度为1000℃时的分精压近组为lO叫Pa。可以计算出同温度下当q的分压为lO叫Pa时,lmO的分压将达到lO。Pa。因此。snq的分解压比同温度下IlllO的分压相差10十数量级。所以rrO在高温下的分铆行为主受是hIIq的分幂。这种分解对11‘o在高温下的致密化产生重要的影响。例如,HIP时坯体密封于热包套内有助于抑制ITo的分解IITo分解释放出的气体是陶瓷靶材产生裂纹的主要原田m。

4.2主要工艺参数对致密化的影响

文献[5]推导出材料热压(HP)致密化过程中密度P与压力P、保温时间f和粘性系数口的关系为:

1口p’

h南21矛+c(3)

(式中c为常数),井认为热压致密化规律同样适用于热辱静压致密化规律。因此.这里用式(3)解释IT0陶瓷的HIP致密化过程中主要工艺参数对密度的髟响。从式(3)可知:(1)当压力和保温时间一定时.如果提高温度即增大牿性系敢玑可以使密度增加.如图l中低温部分所示.(2)当温度一定即粘性系效叩一定以及保温时问一定时.如果提高压力.可以使密度增加?如图2所示.(3)当温度一定即轱性系数叩一定以及压力一定时,如果延长保温时间,可以便密度增加.如图3中保温温度为950℃时对应的曲线所示。‘

38‘

另一方面.如果保温温度过高,那么由于rrO的分解加剧

而产生过多的气体.这些气体部分地留在rro陶瓷中.从而使密度降低。因此.在图1中出现密度峰值。还有。当保温温度较高时,如果保温时间过长,则一方面ITo的分解量增加.另一方面晶粒过分长大.从而使密度降低.如图3中保温温度为1050℃时对应的曲线所示。

4.3ITo复合毋束部分脱曩的作用

在高温下对lTo复合粉末进行部分脱氧处理,一方面是为了减少粉末在HIP过程中分解的气体量.从而提高密度、避免裂纹“3}另一方面是为了使ITo复合粉末顼半导化。预半导化的ITo复合粉末在HlP过程进一步半导化,从而使ITo靶材具有一定的电导串,以满足1To薄嘎工业的要求。脱氧处理

时,hq中的部分o=一脱离原晶格.留下的电子使部分In抖变为低价的Ⅳ。此时,符合化学计量比的hq变为In;!,I时0i=;。选种半导化机制称为组分缺陷,可以表示为旧:

lmo|

高温还原处理

l求t(I一?2e),o},+号oI+

5结论

对ITO复舍粉末冷辱静压成型后进行热等静压致密化.研

究了热等静压主要工艺参数对嘲瓷相对密度的影响,得到了如

下结论:

(1)相对密度随保温盈度的升高而变化,在大约1000℃处有一峰值。保温温度高于1000℃时相对密度下降的主要原因之一是hkq在高温下分橱加剧。

(2)相对密度随保压压力升高而增大l但在本文研究的压力范围内,增大压力对密度的提高不明显。

(3)当保丑温度较低时.适当延长保温时间有利于提高密度;当保温温度较高时.延长保温时何反而使密度障低。

(4)高温下ITo的分解行为主要是IIlIn的分解。这种分解对rro的致密化产生重要影响。

(5)对rrO复合糟来进行部分脱氯处理有利于提高ITO

靶材的电导事。

参考文蕾

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张树高男,36岁.1991年博士毕业于中国科学院等离子体物

理研究所,1993年晋升为副研究员,1997~1998年应邀去法国南特大学从事博士后研究。主要研究领域是功能陶瓷(包括粉体合成、材料制备、性能研究和应用开发)以及=狄锂离子电池(包括新型正负投材料台成、电极过程和电池性佳研究)。曾主持或参加多硬国家和省部级科研项目。在国内外刊物上发表论文30多篇,持有发明专利1项。本文是国家“九五’科技攻关项目研究工作的一部分。(下转第387页)

●功能材辩脚.3l(‘)

 万方数据

(上接第384页)

InVestigationonDensificationofITOCeramicTargetbyUsingHIPTechniqueZHANGShugao,HUBaizhi,WUYicheng,FANGXunhua,HUANGBaiyun(PowderMetallurgyNatiOnalKeyLaboratory,CentralsouthUniversityofTechnology,Changsha。410083,China)

Abstract:IT0complexpowdersweresynthesizedbyusingchemicalcoprecipitationmethod.SuchpowdersweredensifiedbyusingHIPtechnique.wherethecarbonsteelwasusedascapsuleandCufoilasseparationla)rersetbetweencapsuleandgreenbodycom—pactedusingCIPtechnique.TheeffectofmainparametersofHIPtech血queonthedensificationofIToceramictargetwasinVestiga—ted.TheexperimentalresultsshowedthattherelativedensityhadapeakvalueatthetemperatureofaboutlOOO℃andincreasedwiththepressure,andthattherelativedensityincreasedwithtimewhenlowertemperaturewasused,butdecreasedwithtimewhenhigh—ertemperaturewasused.AdditionaUy,thedecompositionbehaviorofIT0athightemperatureanditseffectonthedensificationwerestudied.WhyIT0ceramicsweresemiconductedbyremovirlgpartialoxygenfromITocomplexpowderswasalsoexplained. 万方数据

Keyw"dS:11D;∞舢ictarget;HIP;d蛐sin∞ti蚰

铟锡氧化物陶瓷靶材热等静压致密化研究

作者:张树高, 扈百直, 吴义成, 方勋华, 黄伯云, ZHANG Shugao, HU Baizhi, WU Yicheng, FANG Xunhua, HUANG Baiyun

作者单位:中南工业大学粉末冶金国家重点实验室,湖南,长沙,410083

刊名:

功能材料

英文刊名:JOURNAL OF FUNCTIONAL MATERIALS

年,卷(期):2000,31(4)

被引用次数:11次

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本文链接:https://www.sodocs.net/doc/9b4963784.html,/Periodical_gncl200004016.aspx

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