專利名稱：一種銦摻雜氧化鋅靶材及透明導(dǎo)電膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種銦摻雜氧化鋅濺射靶材及其透明導(dǎo)電膜的制備方法，屬于光電子功能材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
透明導(dǎo)電氧化物(transparent conductive oxide，簡(jiǎn)稱TC0)是一種重要的光電子功能材料，它對(duì)可見光具有很高的透過率，而對(duì)紅外光具有很高的反射率，同時(shí)具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能。因此，TCO被廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能電池、平板和液晶顯示、發(fā)光二極管和熱輻射反射鏡等領(lǐng)域。錫摻雜氧化銦andium Tin Oxide，簡(jiǎn)稱ΙΤ0)是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的透明導(dǎo)電膜，該薄膜中氧化銦的質(zhì)量含量達(dá)90%。眾所周知，金屬銦在地殼中含量稀少，為稀缺資源，價(jià)格昂貴；而且ITO在氫等離子體中不穩(wěn)定。因此，必須開發(fā)新型的低銦含量透明導(dǎo)電膜來替代ΙΤ0。氧化鋅原料來源豐富，價(jià)格便宜，無毒，在氫等離子體中具有很好的穩(wěn)定性； 是一種寬禁帶半導(dǎo)體，對(duì)可見光具有高透過率，容易實(shí)現(xiàn)η型摻雜，而且經(jīng)η型摻雜后的透明導(dǎo)電膜導(dǎo)電性能與ITO接近。因此，以氧化鋅為基體進(jìn)行摻雜的透明導(dǎo)電膜已經(jīng)成為當(dāng)前的研究重點(diǎn)，在很多領(lǐng)域有逐步取代ITO的發(fā)展趨勢(shì)。濺射法是制備TCO的主要方法，濺射靶材的質(zhì)量將直接影響到TCO薄膜的質(zhì)量。 目前ITO靶材的制備工藝已經(jīng)很成熟，ZnO基透明導(dǎo)電膜靶材的研究也取得了一定的進(jìn)展。 中國(guó)專利公開說明書CN 1413947Α公開了一種采用氧化鋅和氧化銦混合粉體經(jīng)冷壓成型和常壓常氣氛燒結(jié)制備的鋅銦氧化物陶瓷靶材的制備方法，其氧化銦的質(zhì)量含量為2-7%。 中國(guó)專利公開說明書CN101208452A、101208453A和1013^304Α公開了經(jīng)添加微量氧化鋯或氧化鋁制備的氧化鋅銦靶材的制備方法。中國(guó)專利公開說明書CN 101440470Α公開了一種經(jīng)液相法制備氧化鋅鋁粉體和熱壓燒結(jié)制備氧化鋅鋁靶材的制備方法，所制備的靶材相對(duì)密度不低于95%。中國(guó)專利公開說明書CN 1289128Α公開了一種由氧化鋅粉和氧化鋁 (或純鋁粉)互相混合燒結(jié)出氧化鋁總質(zhì)量含量為1-6% (或純鋁粉0.5-3%)的鋁摻雜氧化鋅(AZO)靶材，靶材相對(duì)密度可達(dá)94%以上。中國(guó)專利公開說明書CN 101285164Α公開了一種鋁元素含量為Iat-IOat^的AZO陶瓷靶材的制備方法。中國(guó)專利公開說明書CN 1558962Α公開了一種由質(zhì)量含量為90-99%的氧化銦與1_10%的氧化銦和氧化鋅燒結(jié)的 ^ifeai7Oltl靶材，這種靶材的銦含量與ITO—樣，都大于90%。從目前公開的專利來看，還沒有采用真空燒結(jié)制備的ZnO基透明導(dǎo)電膜靶材。本發(fā)明采用液相或固相法制備銦摻雜氧化鋅粉體，經(jīng)冷等靜壓成型、真空燒結(jié)和氣氛退火得到銦摻雜氧化鋅陶瓷靶材，并使用該靶材經(jīng)濺射法制備透明導(dǎo)電膜。該方法制備的透明導(dǎo)電膜具有優(yōu)良的光電性能，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，有望替代ΙΤ0。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了制備銦摻雜氧化鋅靶材的方法，并提出了采用該靶材制備透明導(dǎo)電膜的方法。該法可以很方便地制備出高密度、高純度的銦摻雜氧化鋅靶材以及具有良好導(dǎo)電性能和高透過率的透明導(dǎo)電膜。本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案1. 一種銦摻雜氧化鋅靶材，其特征在于該靶材由鋅、銦氧化物粉體經(jīng)燒結(jié)而成； 其中氧化銦的質(zhì)量含量為0. 5-10% ；靶材的純度不低于99. 9% ；靶材的相對(duì)密度不低于 95%，最高可達(dá)99. 5%。2.項(xiàng)1所述的銦摻雜氧化鋅靶材的制備方法，其特征在于該靶材的制備過程包括以下步驟(1).制備好的鋅、銦氧化物粉體首先在不銹鋼模具經(jīng)1 50Mpa單軸壓預(yù)壓成型， 再經(jīng)100 300MPa冷等靜壓成型，然后將成型后的塊體在70-150°C下烘干除去成型劑。(2).烘干后的塊體在真空狀態(tài)下燒結(jié)，燒結(jié)溫度為900-1500°C。(3).將燒結(jié)后的靶材初胚置于純氧氣氣氛下進(jìn)行退火處理，退火溫度為 800-1200°C。(4).退火處理后的靶材初胚切割、打磨和安裝背板。3.項(xiàng)2所述的銦摻雜氧化鋅靶材的制備方法，其特征在于燒結(jié)該靶材所使用的鋅、銦氧化物粉體是由共沉淀法、溶膠-凝膠法、水解法、水熱法、微乳液法或固相球磨法制備；制備鋅、銦氧化物粉體的過程中添加了質(zhì)量含量為0-5%的分散劑，分散劑包括聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯醇縮丁醛、二辛基琥珀酸磺酸鈉，十二烷基苯磺酸鈉，甘膽酸鈉和吐溫等；鋅、銦氧化物前驅(qū)體干燥后在空氣氣氛或者氧氣氣氛下，經(jīng)400-80(TC預(yù)燒結(jié)，然后進(jìn)行造粒、過篩即得到了鋅、銦氧化物粉體。4. 一種銦摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電膜，其特征在于該透明導(dǎo)電膜是采用項(xiàng)1所述的銦摻雜氧化鋅靶材經(jīng)濺射法制備。5.項(xiàng)4所述的銦摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電膜，其特征在于該透明導(dǎo)電膜為六方纖鋅礦相結(jié)構(gòu)，電阻率達(dá)10_4 Ω cm,最低電阻率7 X 10_4 Ω cm,在可見光范圍400 800nm最高透過率92 %，平均透過率不低于84 %。6.項(xiàng)4所述的銦摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電膜的制備方法，其特征在于濺射鍍膜過程中，工作氣體純氬氣混合0-20%氧氣組成，壓強(qiáng)為0. 1 2. OPa，襯底溫度為室溫 700°C。本發(fā)明使用上述靶材采用濺射法制備銦摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電膜。濺射鍍膜過程中，工作氣體純氬氣混合0-20%氧氣組成，壓強(qiáng)為0. 1 2. OPa，襯底溫度為室溫 700°C。 所制備的銦摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電膜為六方纖鋅礦相結(jié)構(gòu)，電阻率可達(dá)10_4Qcm，電阻率最低可達(dá)7 X 10_4 Ω cm，在可見光范圍GOO 800nm)最高透過率可達(dá)92 %，而平均透過率不低于 84%。本發(fā)明制備的銦摻雜氧化鋅靶材及其透明導(dǎo)電膜成本低廉、具有良好的廣電性能，有望替代目前大量使用的ITO靶材及其透明導(dǎo)電膜，節(jié)約大量貴重金屬銦，同時(shí)大幅降低透明導(dǎo)電膜的成本。


圖1為石英玻璃襯底上制備的銦摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電膜的透過率。圖2為石英玻璃襯底上制備的銦摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電膜的X射線衍射譜。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)例進(jìn)一步說明本發(fā)明的實(shí)施方式，目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明而不是限制本發(fā)明，亦即本發(fā)明決不限于下述實(shí)例。實(shí)施例1 銦摻雜氧化鋅靶材的制備首先采用固相球磨法制備鋅、銦氧化物粉體。按照L2O3/(&ι0+Ιη203)質(zhì)量比為5% 稱取氧化鋅(純度為99. 99% )粉體和氧化銦(純度為99. 99% )粉體，稱取占粉體總質(zhì)量
的聚乙二醇，稱取三倍于粉體質(zhì)量的磨球；將稱量好的粉體、聚乙二醇和磨球放入到球磨罐中，然后添加一定量的無水乙醇，將球磨罐密封固定于球磨機(jī)上，然后以200轉(zhuǎn)/分的速度球磨20小時(shí)。球磨完成后將漿料倒出，在80°C下烘干5小時(shí)，然后將粉體在700°C和高純氧氣下預(yù)燒結(jié)5小時(shí)，預(yù)燒結(jié)完成后將粉體進(jìn)行過篩、造粒即得到了可用于靶材燒結(jié)的鋅、銦氧化物粉體。向上述鋅、銦氧化物粉體添加適量無水乙醇并放入到不銹鋼模具中裝好模具，在 20MPa的單軸壓力下預(yù)壓成型，然后經(jīng)200MPa冷等靜壓10分鐘，隨后將成型后的塊體放在 90°C下烘干4小時(shí)；待塊體烘干后，將其轉(zhuǎn)移到真空燒結(jié)爐內(nèi)，抽真空至壓強(qiáng)低于0. IPa后升溫到1100°C燒結(jié)20小時(shí)；燒結(jié)完成后將爐溫降到950°C，然后向燒結(jié)爐內(nèi)通入高純氧氣并保持微正壓進(jìn)行退火處理20小時(shí)；退火處理完成后待爐溫降到室溫取出陶瓷塊體并按要求尺寸進(jìn)行機(jī)械加工和安裝背板就可得到用于濺射鍍膜的銦摻雜氧化鋅靶材。經(jīng)阿基米德法測(cè)定該靶材的密度達(dá)5. 4g/cm3。實(shí)施例2 銦摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電膜的制備采用實(shí)例1所制備的銦摻雜氧化鋅靶材用磁控濺射法制備透明導(dǎo)電膜。將靶材安裝于磁控靶槍對(duì)應(yīng)位置上，抽真空至真空室本底真空度高于2. OX 10_4Pa，以石英玻璃為襯底，襯底溫度保持在40(TC，往真空室內(nèi)通入lOOsccm氬氣(sccm表示標(biāo)準(zhǔn)毫升每分鐘)， 調(diào)節(jié)真空室壓強(qiáng)為0. 15Pa，調(diào)節(jié)射頻電源功率為100W，在正式沉積薄膜之前靶材先預(yù)濺射 IOmin0按照上述工藝條件制備厚度約為300nm的銦摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電膜。經(jīng)測(cè)試表明該透明導(dǎo)電膜的晶體結(jié)構(gòu)為沿(002)取向的六方纖鋅礦相結(jié)構(gòu)，電阻率為8X 10_4Qcm，可見光范圍GOO 800nm)最高透過率可達(dá)92%，而平均透過率為85%。
權(quán)利要求
1.一種銦摻雜氧化鋅靶材，其特征在于該靶材由鋅、銦氧化物粉體經(jīng)燒結(jié)而成；其中氧化銦的質(zhì)量含量為0. 5-10% ；靶材的純度不低于99. 9% ；靶材的相對(duì)密度不低于95%， 最高可達(dá)99. 5%0
2.權(quán)利要求1所述的銦摻雜氧化鋅靶材的制備方法，其特征在于該靶材的制備過程包括以下步驟(1).制備好的鋅、銦氧化物粉體首先在不銹鋼模具經(jīng)1 50Mpa單軸壓預(yù)壓成型，再經(jīng) 100 300MI^冷等靜壓成型，然后將成型后的塊體在70-150°C下烘干除去成型劑。(2).烘干后的塊體在真空狀態(tài)下燒結(jié)，燒結(jié)溫度為900-1500°C。(3).將燒結(jié)后的靶材初胚置于純氧氣氣氛下進(jìn)行退火處理，退火溫度為800-1200°C。(4).退火處理后的靶材初胚切割、打磨和安裝背板。
3.權(quán)利要求2所述的銦摻雜氧化鋅靶材的制備方法，其特征在于燒結(jié)該靶材所使用的鋅、銦氧化物粉體是由共沉淀法、溶膠-凝膠法、水解法、水熱法、微乳液法或固相球磨法制備；制備鋅、銦氧化物粉體的過程中添加了質(zhì)量含量為0-5%的分散劑，分散劑包括聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯醇縮丁醛、二辛基琥珀酸磺酸鈉，十二烷基苯磺酸鈉，甘膽酸鈉和吐溫等；鋅、銦氧化物前驅(qū)體干燥后在空氣氣氛或者氧氣氣氛下，經(jīng)400-80(TC預(yù)燒結(jié)，然后進(jìn)行造粒、過篩即得到了鋅、銦氧化物粉體。
4.一種銦摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電膜，其特征在于該透明導(dǎo)電膜是采用權(quán)利要求1所述的銦摻雜氧化鋅靶材經(jīng)濺射法制備。
5.權(quán)利要求4所述的銦摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電膜，其特征在于該透明導(dǎo)電膜為六方纖鋅礦相結(jié)構(gòu)，電阻率達(dá)10_4 Ω cm，最低電阻率7 X10_4Qcm，在可見光范圍400 800nm最高透過率92 %，平均透過率不低于84 %。
6.權(quán)利要求4所述的銦摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電膜的制備方法，其特征在于濺射鍍膜過程中，工作氣體純氬氣混合0-20%氧氣組成，壓強(qiáng)為0. 1 2. OPa，襯底溫度為室溫 700 °C。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種銦摻雜氧化鋅濺射靶材及其透明導(dǎo)電膜的制備方法。該法采用液相法或固相法制備銦摻雜氧化鋅粉體，經(jīng)冷等靜壓成型、真空燒結(jié)和氣氛退火得到高純銦摻雜氧化鋅陶瓷靶材，并使用該靶材經(jīng)濺射法制備透明導(dǎo)電膜。其中氧化銦的質(zhì)量含量為0.5-10％；靶材的純度不低于99.9％；靶材的相對(duì)密度不低于95％，最高可達(dá)99.5％。采用該靶材經(jīng)濺射法制備的透明導(dǎo)電膜具有優(yōu)良的光電性能，電阻率可低至7×10-4Ωcm，在可見光范圍(400～800nm)最高透過率可達(dá)92％，而平均透過率不低于84％，可廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能電池、發(fā)光二極管、平板和液晶顯示等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)C23C14/34GK102191465SQ20101012758
公開日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2010年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月18日
發(fā)明者曹永革, 王美麗, 鄧種華, 黃常剛 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所