Продуктова категория
Свържете се с нас

Haohai Метални Метериали Ко ООД

Haohai Titanium Ко ООД


Адрес:

Завод № 19, TusPark, Century Avenue,

Xianyang Сити, Shaanxi Pro., 712000, Китай


Тел:

+86 29 3358 2330

+86 29 3358 2349


факс:

+86 29 3315 9049


Електронна поща:

info@pvdtarget.com

sales@pvdtarget.com



Телефонна линия
029 3358 2330

Технология

Начало > ТехнологияСъдържание

Приготвяне на метална сплав с цинков оксид Al с горещо пресоване

Приготвяне на метална сплав с цинков оксид Al с горещо пресоване


1. Въведение


Добре известно е, че алуминиево-легираният ZnO (AZO) тънък филм има висока пропускливост във видимата област и ниско съпротивление, и неговата оптична ширина на лентата може да се контролира чрез съдържание на Al. AZO филмите имат потенциал за приложение в слънчеви клетки, антистатични покрития, твърдотелни дисплейни устройства, оптични покрития, нагреватели, размразители и др. Особено AZO филмът е по-стабилен. Следователно, AZO е един от най-добрите заместители на ITO, използвайки като прозрачен проводящ филм (TCO).


AZO филмът може да бъде депозиран по няколко метода. Понастоящем магнетроновото разпрашаване е широко използвано поради високата скорост на отлагане и добрата адхезия между филма и субстрата. За депозиране на AZO филм бяха използвани метални мишени. Но е установено, че животът на целта е ограничен, тъй като върху повърхността на мишената често се образува оксиден слой. За предпочитане се използват керамични мишени.


AZO е вид силно легиран полупроводников материал от n-тип. За AZO керамична цел, плътност, фазова структура, размер на порите и неговото разпределение, размер на зърната и съпротивление са основни свойства. Наскоро много изследователи проучиха приготвянето на мишена с разпръскване AZO със супер висока плътност и ниско съпротивление. Но малко внимание беше отделено на промяната на структурата и еволюцията на порите по време на синтероването. Също така, когато процесът на синтероване се извършва в атмосфера, увеличаването на температурата на синтероване е начин за постигане на висока плътност, но едновременно с това се увеличава съдържанието на втората фаза ZnAl 2 O 4 , което води до лошо електрическо свойство на AZO мишената. Високата температура на синтероване може да доведе до повече възможности за анормален растеж на зърното. Спичането под супер високо налягане и зол-гела са два метода за постигане на висока плътност. За съжаление, те са твърде скъпи, за да бъдат индустриализирани. Сравнително, горещото пресоване е умерен начин, чрез който мишената може да се уплътни при умерено налягане и температура. В допълнение, това е един вид процес на бързо уплътняване и растежът на зърната се случва много леко.


Следователно, в настоящата работа, мишената AZO се прави чрез метод на горещо пресоване. Изследвани са относителната плътност, еволюцията на порите, морфологията на фрактурата, изменението на структурата на фазите и съпротивлението, за да се илюстрират процесите на приготвяне на AZO мишена.



2. Експериментална


Използват се търговски цинков оксид (среден размер на частиците от около 600 nm) и алуминиев оксид (среден размер на частиците от около 100 nm). С помощта на двоен вал миксер, ZnO и Al2O3 прахове с масово съотношение 98: 2 се смесват в продължение на 32 часа в бутилка с ахатни топки.


Смесеният прах се излива в графитна форма. Формата се поставя в пещта на машина за горещо пресоване . При определено налягане и температура за времето на съхранение, AZO мишените се уплътняват с аргонова газова защита.


Плътността се измерва по метода на Архимед. Морфологията на фрактурата се наблюдава с помощта на сканиращ електронен микроскоп (JSM-6510, Японска електроника). Размерът на порите и неговото разпределение бяха анализирани с помощта на поризометър за проникване на живак (Auto Pore IV 9510, Micromeritics Instrument, Inc.). Фазовата структура беше анализирана с помощта на рентгенов дифрактометър с монохромен CuKa рентгенов източник (D / max 2500, Японска електроника). Съпротивлението се измерва чрез четириточковата сонда (SDY4, Guangzhou Institute of Semiconductor Materials).



3 Резултати и дискусия


3.1 Ефекти на условията на горещо пресоване върху относителната плътност на мишената AZO

Теоретичната плътност на AZO (2% А1203) е 5.56 g / стз. Фигура 1 показва влиянието на температурата върху относителната плътност на AZO мишената.


Fig.1

Фиг. 1 Ефект на температурата върху относителната плътност на AZO мишена, уплътнена при 35 МРа за 120 min


Както е показано на Фиг. 1, с повишаване на температурата от 800 ° С до 1100 ° С, относителната плътност на AZO мишена нараства бързо от 79.4% на 95.2%. По време на процеса на синтероване движещите сили, които ускоряват контакта на частиците помежду си, включват силата на ван де Стената, електростатичната сила, силата на химичната връзка и силата на електрониката. Особено силата на химичната връзка играе основна роля, защото на повърхността на частиците има голям брой висящи връзки. С повишаването на температурата, дифузията на атомите се увеличава. По този начин двата повърхностни атома могат да преминат потенциалната бариера по-лесно, за да се свържат заедно чрез химическа връзка. Следователно, влиянието на температурата върху относителната плътност е много важно.


Фигура 2 показва влиянието на налягането върху относителната плътност на AZO мишената. С повишаване на налягането от 15 МРа до 35 МРа относителната плътност се увеличава от 88% на 95,2%.


Fig.2

Фиг. 2 Влияние на налягането върху относителната плътност на AZO мишена, уплътнена при 1150 ° С за 120 минути


SHI заключи уравнението за уплътняване за горещо пресоване:

equation-1

където ρ е плътността; t е времето; К е отношението на общия брой на порите към броя на частиците; D eff е ефективният коефициент на дифузия; Is a е обемът на дифузиращите частици; D е средният размер на частиците; k е константата на Болцман; T е термодинамичната температура; σ eff е ефективното напрежение на натиск; γ s е повърхностното напрежение. Съществува уравнение между σ eff , ρ и външното налягане p a .

equation-2

Екв. (2) показва, че ефективното налягане на натиск (σ eff ) е функция на налягането и плътността. При повишаване на налягането от 15 МРа до 20 МРа, се увеличава σ eff . По този начин, налягането играе основна роля за увеличаване на относителната плътност от 88% на 90,5%. Когато налягането е между 20 МРа и 30 МРа, скоростта на уплътняване се ускорява с нарастващо налягане. Но в замяна, когато относителната плътност е по-висока, ефективното напрежение на натиск ще бъде намалено, което ще доведе до по-ниска степен на уплътняване. Така крайната относителна плътност на целта беше леко повишена от 90,5% на 91,6%. Когато налягането е по-високо от 30 МРа, налягането отново играе основна роля за увеличаване на относителната плътност от 91,6% до 95,2% рязко. Следователно, крайната относителна плътност е взаимодействието на налягането и самата относителна плътност. Както е показано на Фиг. 2, с увеличаване на налягането относителната плътност е S-образно увеличена.


Отделно от температурата и налягането, времето за съхранение също влияе върху относителната плътност на AZO мишената. При уплътняване при 1100 ° С и 35 МРа с 0.5, 1 и 2 часа време за съхранение, относителната плътност на мишената достига съответно 92.5%, 94.6% и 95.2%. При 1100 ° С и същото налягане, дори когато времето за съхранение е увеличено до 10 часа, има ограничено увеличение на крайната относителна плътност, която достига само 94,1%; докато пресованата проба при 1100 ° С с време на съхранение от 1 час може да достигне 94,6%. Заключението е, че температурата играе най-важната роля в уплътняването на AZO мишена. Въпреки това, налягането и времето за съхранение също са важни фактори за постигане на целта с висока плътност.


3.2 Еволюция на порите

В керамичната мишена има два вида пори, канални пори и изолирани пори. Според дефиницията на Coble , порите на каналите съществуват в първия и втория етап и изолираните пори се генерират в третия етап. WILKINSON и ASHBY изучават процеса на горещо пресоване и установяват, че той може да бъде разделен на два етапа: каналът на порите в канала и изолираният етап на порите. Размерът на порите в канала и неговото разпределение могат да бъдат измерени чрез поризометър с проникване на живак. Изолираният размер на порите не може да бъде тестван директно, но неговото обемно съдържание може да бъде изчислено от относителната плътност и обемното съдържание на каналните пори съгласно следното уравнение.


където DRD е относителната плътност на целта; isC е обемната фракция на порите на канала; isI е обемната фракция на изолираните пори. Следователно, от andRD и ,C, canI може да се извлече.


За да се изследва еволюцията на порите по време на процеса на уплътняване, смесеният прах от ZnO и Al2O3 се изпича при 900 ° С в продължение на 2 h, така че летливата или влагата да се отстрани. Също така, тъй като температурата е най-важният фактор, това изследване се фокусира главно върху влиянието на температурата върху промяната на порите по време на уплътняването при горещо пресоване. Когато налягането е 18 МРа, времето за съхранение е 30 минути, а температурите са 850, 950, 1050 и 1 150 ° С, респективно, целевите проби се пресова горещо отделно. Анализират се ,RD, ,c, wereI и резултатите са показани в Таблица 1.


Таблица 1 Развитие на порите в AZO мишена при различни температури чрез горещо пресоване


Както е показано в таблица 1, с повишаване на температурата от 850 ° С до 1050 ° С, wasRD се увеличава

рязко от 51.7% на 80.3%, в същото време, decreasedC намалява значително от 45.7% на 19.6%. Когато температурата на горещо пресоване се повиши до 1 150 ° С, С се понижи до 0, показвайки, че всички пори на канала са изолирани. Както се вижда от таблица 1, средният диаметър на каналните пори е увеличен от 136.78 nm до 169.08 nm с повишаване на температурата от 850 ° С до 950 ° С. Показано е, че по време на процеса на уплътняване има комбинация от канални пори и растеж. Всъщност този вид комбинация и растеж е също една от движещите сили на уплътняването. Фигура 3 разкрива детайлите на еволюцията на каналните пори. Когато температурата е 950 ° С, диаметърът на порите се увеличава. Освен това, с покачване на температурата, разпределението на размера на порите се стеснява, въпреки че средният диаметър не се променя значително. Въпреки това, броят на порите в канала намалява до 0, когато температурата е 1 150 ° С, което означава, че

всички канални пори се изолират.


Фиг. 3 Кумулативна площ на порите спрямо диаметър на порите в AZO мишена, уплътнена при различни температури за 30 min


Фигура 4 показва промяната на изолираните пори. Обемната фракция е минимална при температура от 1050 ° С. При по-ниска температура, някои изолирани пори се отварят по време на уплътняването и при температура по-висока от 1050 ° С, обемната фракция се увеличава значително. Може да се види, че при температура от 1 150 ° С, обемната фракция на изолираните пори е 5.2%. Вероятно, това е допринесло за супер бърз растеж на шията при висока температура.


Фиг. 4 Обемен дял на изолирани пори в AZO мишена спрямо температура


Фигура 5 показва SEM изображения на морфологията на фрактурата на AZO мишени. Както е показано на фиг. 5, растежът на врата може да бъде ясно наблюдаван. Когато температурата беше 850 ° С, частиците се приближиха, шинът на синтероване просто започна да се образува, но не се наблюдава очевиден растеж на врата. Порите бяха свързани помежду си. Изолираните пори не бяха видими. На Фиг. 5 (b), растежът на врата започва и води до растеж на порите. Порите бяха все още канал. Когато температурата се повиши до 1 050 ° С, настъпва по-нататъшен растеж на врата. Обаче, както е показано на Фиг. 4, порите са от неподвижен канал. Когато температурата беше 1 150 ° С, може да се наблюдава значителен растеж на врата. В същото време, частиците

станаха свързани помежду си и порите се изолирали.


XIAO et al [11] въвежда образуването на нодула, докато мишената се разпръсква. Ниската плътност е възможна причина за възникване на възли. Въпреки това, изолираните пори могат да бъдат друг фактор за въвеждане на възли. Тъй като изолираните пори ще се взривят, когато плазмата го удари по време на магнетронното разпрашаване. Следователно е много важно да се сведе до минимум обемната фракция на изолираните пори.


Фигура 6 показва SEM изображението на AZO мишена горещо пресована при 18 МРа и 1 150 ° С за 2 h.


Относителната плътност беше измерена на 96% и леко повишена. Поризомерът за проникване на живак не е открил порите на канала. Както е показано на Фиг. 6, порите са изолирани, показвайки, че при удължаване на времето за съхранение, изолираните пори не могат да бъдат отстранени ефективно.


Скоростта на нагряване, плътността на зеления компакт и температурата са основните фактори, които могат да доведат до изолирани пори. Както е показано на фиг. 4, обемната фракция на изолираните пори е минимална при температура от 1050 ° С. Следователно, за да се постигне целта с по-висока плътност с минимизирана обемна фракция на изолираните пори, се провежда двуетапно горещо пресоване. В първия етап се извършва горещо пресоване при 1 050 ° С в продължение на 1 час и след това мишената допълнително се пресова горещо при 1 150 ° С за още 1 час. Фигура 7 показва SEM морфология на фрактурата на AZO мишена. Както е показано на Фиг. 7, мишената е много плътна. Могат да се наблюдават няколко изолирани пори. Относителната плътност беше измерена на 99%, много близо до теоретичната плътност.


Фиг. 5 SEM изображения на морфология на фрактура на AZO мишени, направени при различни температури и 18 МРа за 30 min: (а) 850 ° С; (b) 950 ° С; (c) 1050 ° С; (d) 1 150 ° С


Фиг. 6 SEM изображение на AZO мишена горещо пресовано при 18 МРа и 1 150 ° С за 2 h


Фиг. 7 SEM изображение на AZO мишена, направено чрез двустепенно горещо пресоване


SUN et al. [15] приготвят AZO мишена с относителна плътност от 99.6% чрез безкамерно синтероване на плъзгането

леене. Но температурата на синтероване от 1 400 ° C е много по-висока.



3.3 Смяна на фазовата структура при горещо пресоване

Съдържанието на шпинелова фаза се сравнява между мишени, получени чрез горещо пресоване и синтероване в атмосфера при температура от 1 100 ° С. Фигура 8 представя разликата в XRD моделите на AZO мишени. Както е показано на Фиг. 8 (а), основните пикове са почти еднакви. Фигура 8 (б) показва увеличените профили на пика на ZnAl2O4 при 2θ = 64.7 ° -65.6 °. По време на процеса на горещо пресоване на мишената AZO се случват две реакции. Един от тях е, че Al добавката дифундира в ZnO решетка, за да замести Zn, а другата е, че ZnO реагира с Al2O3, за да образува шпинелна фаза на ZnAl2O4. Двете реакции могат да бъдат изразени, както следва:


От фигура 8 (б) може да се види, че съдържанието на шпинел в горещо пресованата мишена е по-ниско от това, което се получава при синтероване в атмосферата. Всъщност температурата на синтероване обикновено е била по-висока от 1 300 ° C при синтероване без налягане. Така съдържанието на шпинелна фаза в мишената, получено чрез синтероване в атмосферата, беше много по-високо от това в мишената, направено чрез горещо пресоване.

Фигура 9 показва еволюцията на фазовата структура с температура по време на горещо пресоване. Може да се види, че при температура по-ниска от 900 ° С в мишената има фаза Al2O3. Когато температурата беше 1 000 ° C, фазата на Al2O3 изчезва, но се появява фазата на ZnAl2O4. А при температура от 1 100 ° С, съдържанието на фазата на ZnAl2O4 е леко повишено.


Фиг. 8 XRD модели на AZO мишени, направени чрез горещо пресоване и синтероване в атмосфера: (а) XRD модели; б) Увеличени профили при 2θ = 64.7 ° -65.6 °

Фиг. 9 Развитие на фазовата структура на AZO мишени при различни температури чрез горещо пресоване при 35 МРа за 2 h



3.4 Ефекти на температурата и време за запазване на електрическото съпротивление на AZO мишена


Според реакция (4), когато един Al3 + замени един Zn2 +, се генерира един излишък на електрони. По този начин, мишената AZO може да бъде добър проводник на електричество. Съпротивлението на AZO мишената зависи от количеството на Zn2 + йони, заместени с Al3 + йони при горещо пресоване. Фигура 10 показва промяната на съпротивлението на AZO мишена с температура на горещо пресоване.


Фиг. 10 Влияние на температурата на горещо пресоване върху съпротивлението на AZO при 35 МРа за 2 h


От Фиг. 10 може да се види, че при температура от 900 ° С реакцията на заместване се е случила, въпреки че има Al2O3 фаза, както е показано на Фиг. , Когато температурата на горещо пресоване се повиши до 1 000 ° С, съпротивлението намалява рязко, от 0.08 Ω⋅cm до 0.018 .cm. Открива се, че много Zn2 + йони са заменени с Al3 + йони. Въпреки това, когато температурата се повиши до 1 100

° C, съпротивлението намалява още повече до 0.006 3 .cm. Показано е, че много йони Zn2 + са заменени от Al3 +. Междувременно, с генерирането на повече ZnAl2O4, както е показано на фиг. 9, тенденцията на намаляване на съпротивлението се забавя, тъй като ZnAl2O4 действа като център за разсейване на електрони, който понижава подвижността на електрона.


Фигура 11 показва тенденцията на развитие на съпротивлението на AZO мишена с времето за запазване при горещо

температура на пресоване от 1 100 ° С. Като цяло съпротивлението намалява с увеличаването на времето за запазване. От 0.5 h до 1 h съпротивлението се понижава бързо от 0.01 tocm до 0.006 quicklycm.

По време на този етап заместването е доминираният процес, който води до по-ниско съпротивление. От 1 h до 2 h съпротивлението е почти същото. Вероятно по време на този етап ефектът от реакцията на заместване и генерирането на ZnAl2O4 е балансиран. При горещо пресоване заместването отново става доминиращ процес, който води до намаляване на електрическото съпротивление до 3 × 10−3 Ω⋅cm.


Фиг. 11 Ефект от времето за запазване на съпротивлението на AZO мишената горещо пресовано при 1 100 ° C и 35 MPa


4 Заключения

1) С увеличаване на температурата, налягането и времето за съхранение, относителната плътност на AZO мишената, получена чрез метода на горещо пресоване, се увеличава. Въпреки това, температурата е по-важен фактор. При 1050 ° С обемната фракция на изолираните пори е минимална.

2) Супер-висока плътност на AZO мишена (99% относителна плътност) е направена чрез двуетапен метод за горещо пресоване.

3) При температура, по-ниска от 900 ° С, има Al2O3 фаза; при температура по-висока от 1 000 ° С се генерира фаза ZnAl2O4 и съдържанието му се повишава с повишаване на температурата.

4) Методът на горещо пресоване има предимството пред синтероването в атмосферата, че съдържанието на ZnAl2O4 е по-ниско и температурата на синтероване също може да бъде по-ниска.

5) С увеличаване на температурата на горещо пресоване и времето за съхранение, електрическото съпротивление на целта AZO

значително намалява. Ниско съпротивление от 3 х 10-3 см беше постигнато при налягане от 35 МРа, температура от 1 100 ° С за 10 часа от времето за съхранение чрез горещо пресоване.


Един чифт: Не

Следваща: Не