CN1413947A - 一种锌镓氧化物陶瓷靶材及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
一种锌镓氧化物陶瓷靶材及其制备方法和应用，属于光电材料技术领域。本发明用氧化锌粉末与氧化镓粉末相互混均匀；采用冷压方法成型；用常压、常气氛烧结成密实的块体，作为溅射靶材，并应用于锌镓氧化物透明导电薄膜的制备。该发明制作工艺简单、经济、制成的靶材成分均匀，性能稳定。应用该靶材制备透明导电薄膜具有工艺稳定、易于控制等特点。所制备的薄膜的光电性能优异，一致性好，且耐湿耐蚀。该薄膜应用于太阳能电池作为透明电极时，对电池材料无不良影响，并可提高器件的稳定性和耐久性。
Description
技术领域
本发明属于光电材料技术领域，特别涉及一种锌镓氧化物陶瓷靶材及其制备技术和应用。
背景技术
透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxide，简称TCO)薄膜主要包括In、Sn、Sb、Zn和Cd的氧化物及其复合多元氧化物薄膜材料，具有禁带宽、可见光谱区光透射率高以及电阻率低等光电特性，透明导电氧化物薄膜因其既透明又导电的性能而得以广泛应用。目前TCO薄膜的主要应用领域有：(1)平板显示，如液晶显示、等离子体显示、场致发射显示、电致发光显示等；(2)热反射镜，由于透明导电氧化物薄膜具有对光波的选择透过性(即对可见光的透射性及对红外光的反射性)，可用于建筑玻璃窗起热屏蔽作用，以节省能源消耗；(3)透明表面发热器，如在汽车、飞机等交通工具的玻璃窗上作为防雾除霜玻璃；(4)太阳能电池的透明电极；(5)柔性衬底的开发使TCO薄膜的用途扩大到制造柔性发光器件、塑料液晶显示器、可折叠太阳能电池以及作为保温材料用于塑料大棚、玻璃粘贴膜等。
目前，人们已开发了ZnO、SnO2、及In2SnO5、ZnOIn2O3、Zn2SnO4、Zn2In2O5、CdSb2O6、CdIn2O4、Cd2SnO4、GaInO3、In4Sn3O12、MgIn2O4、FTO(SnO：F)等多元透明氧化物薄膜材料。其中应用最广、最成熟的还是掺锡氧化铟(Indium Tin Oxide，简称ITO)。ITO薄膜具有复杂的立方铁锰矿结构，电阻率低达10-4Ω.cm量级，可见光谱范围内平均光透射率80％以上。它的优异光电性质使之成为具有实际应用价值的TCO薄膜，是平板显示器件中最主要的平面透明电极材料。目前商品化的ITO薄膜的生产主要是采用ITO陶瓷靶材的溅射方法。ITO靶材是用热等静压方法制备的，其制造工艺复杂，设备和制造成本远远高于其材料成本。在磁控溅射方法制备ITO薄膜的工艺中，要获得光电性能优异的薄膜，其基片温度一般要求在350℃左右，这在一定程度上限制了其衬底材料的选择范围，比较适合的衬底材料为玻璃及不锈钢等。而在柔性有机物衬底上制备薄膜，衬底温度一般不允许超过200℃，所以在柔性有机物衬底上制备性能优异的ITO薄膜较为困难。同时ITO薄膜应用于太阳能电池作为透明电极时，薄膜中的In会向电池材料中扩散，使得器件的性能稳定性下降。
发明内容
针对现有技术的不足和缺陷，本发明的目的是提供一种锌镓氧化物陶瓷靶材及其制备方法；本发明的另一个目的是提供一种锌镓氧化物陶瓷靶材的应用。
本发明的技术方案如下：
一种锌镓氧化物陶瓷靶材，其特征在于：该陶瓷靶材由锌、镓氧化物组成，是由氧化锌粉末和氧化镓粉末经烧结而成，其中的氧化镓占总质量的2～7％。
本发明提出的制备所述锌镓氧化物陶瓷靶材的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)质量百分比为98～93％的氧化锌粉末和质量百分比为2～7％的氧化镓粉末相互混合，用冷压方法压制成形；
(2)将成形的块体在常压、常气氛下烧结，烧结温度在1000℃～1700℃。
本发明的另一个技术方案是应用本发明提供的锌镓氧化物陶瓷靶材作为溅射靶材制备锌镓氧化物透明导电薄膜。
本发明与现有技术相比，具有以下突出优点：
①所提供的锌镓氧化物陶瓷靶材成分简单，具有高精密性、稳定性、可靠性等特点，靶材尺寸可以达到目前溅射生产线通用的尺寸规格。
②靶材的制造工艺简单，生产成本低廉，性能一致性好。
③使用该靶材制备的薄膜的膜基附着力强，使用寿命长。
④锌镓氧化物薄膜的溅射工艺可以使用直流溅射方法，避免了射频溅射对操作人员的损伤。
⑤使用本发明的靶材所制备的锌镓氧化物薄膜的结构为六方纤锌矿型，其光电性能可以与ITO相比拟，电阻率达10-4Ω.cm量级，可见光谱范围内的平均光透射率在84％以上。
⑥使用本发明的靶材，在150℃以下的衬底温度也可以获得性能优异的锌镓氧化物薄膜，如沉积在透明聚酯胶片、聚异氰酸酯和普通电工用的聚酯薄膜上的锌镓氧化物薄膜的电阻率可以达到8.0×10-4Ω.cm，透射率大于84％。
⑦锌镓氧化物薄膜作为硅基太阳能电池的透明电极时，具有在H等离子体中性能稳定的优势。
⑧与掺铝的氧化锌薄膜相比，具有更宽的可见光透过范围和更加稳定的光电性能，特别是耐湿性能，这使其应用于太阳能电池中作为透明电极时，可以有效地提高器件的稳定性和耐久性。
具体实施方式
实施例1：
用纯度为99.9％的氧化锌粉末和纯度99.9％的氧化镓粉末(占总质量的2.1％)相互混均匀，采用冷压方法成型，压力为2.50×106N。在1560℃烧结成密度为理论密度96％的块体，制成尺寸为400mm×200mm×6mm的靶材。应用该靶材，采用射频溅射沉积的方法在聚酯胶片沉积氧化锌镓透明导电薄膜，所得薄膜的厚度为30nm，电阻率为6.2×10-4Ω.cm，550nm的可见光透过率为86％。
实施例2：
用纯度为99.99％的氧化锌粉末和纯度99.99％的氧化镓粉末(占总质量的4.6％)相互混均匀，采用冷压方法成型，压力为2.50×106N。在1180℃烧结成密度为理论密度的95％的块体，制成尺寸为400mm×200mm×6mm的靶材。应用该靶材采用直流磁控溅射沉积的方法在玻璃上沉积氧化锌镓透明导电薄膜，所得薄膜的厚度为30nm，电阻率为3.6×10-4Ω.cm，550nm的可见光透过率为88％。
实施例3：
用纯度为99.99％的氧化锌粉末和纯度99.99％的氧化镓粉末(占总质量的6.8％)相互混合均匀，采用冷压方法成型，压力为2.50×106N。在1680℃烧结成密度为理论密度的97％的块体，制成尺寸为400mm×200mm×6mm(长×宽×高)的靶材。用三块靶材粘结成1200mm×200mm×6mm的生产线用尺寸的靶材，应用该靶材，采用直流磁控溅射沉积的方法在玻璃上沉积氧化锌镓透明导电薄膜，所得薄膜的厚度为110nm，电阻率为4.43×10-4Ω.cm，550nm的可见光的透过率为87％。
实施例4：
用实施例3的方法获得的氧化锌镓薄膜，在温度为85℃，相对湿度为85％的条件下存放1000小时后，电阻率上升值小于存放前的5％，550nm的可见光的透过率仍然保持为87％。
Claims (3)
1.一种锌镓氧化物陶瓷靶材，其特征在于：该陶瓷靶材由锌、镓氧化物组成，是由氧化锌粉末和氧化镓粉末经烧结而成，其中的氧化镓占总质量的2～7％。
2.一种制备如权利要求1所述的锌镓氧化物陶瓷靶材的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)将质量百分比为93～98％的氧化锌粉末和质量百分比为2～7％的氧化镓粉末相互混合，用冷压方法压制成形；
(2)将成形的块体在常压、常气氛下烧结，烧结温度在1000℃～1700℃。
3.利用如权利要求1所述的锌镓氧化物陶瓷靶材作为溅射靶制备锌镓氧化物透明导电薄膜的应用。
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