高致密氧化錫銻陶瓷靶材的電場活化燒結及其薄膜的磁控濺射沉積.pdf

1、氧化錫銻（ATO）薄膜是一種新型透明導電氧化物薄膜，因具有資源豐富、價格低廉、無毒無污染，且禁帶寬度大（＞3.6eV）、導電性好、可見光透過率高、化學穩(wěn)定性高、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，而成為最有可能替代氧化銦錫（ITO）薄膜的材料之一。磁控濺射沉積是迄今為止工業(yè)上應用最廣泛的鍍膜方法，但由于SnO2在高溫下（＞1100℃）易揮發(fā)及其在燒結過程中的蒸發(fā)凝聚機制，使得ATO陶瓷靶材很難致密化，低致密度的ATO陶瓷靶材制約了ATO薄膜導電性能和光學

2、性能的提高。
　　因此，本文以磁控濺射沉積的ATO透明導電氧化物薄膜為研究對象，針對ATO陶瓷靶材難以燒結致密的難題，以及高質量薄膜對陶瓷靶材致密度的要求，以非水基溶膠凝膠法制備的ATO納米粉體為原料，降低粉體燒結活化能，提高燒結驅動力；采用電場活化燒結技術（Field Activated Sintering Technology，簡稱 FAST），降低燒結溫度、縮短燒結時間，抑制 SnO2的高溫揮發(fā)，制備高致密的ATO陶瓷靶材；

3、采用磁控濺射沉積制備 ATO薄膜，深入研究靶材致密度對ATO薄膜組成結構及性能的影響，并采用高致密的ATO陶瓷靶材制備低電阻率、高可見光透過率的ATO薄膜。
　　首先，本文以無水乙醇代替苯甲醇作溶劑和氧化劑，采用非水基溶膠凝膠法制備出結晶性高、銻摻雜含量可控的ATO納米粉體。通過研究絡合劑含量對ATO納米粉體物相及結構的影響，確定絡合劑檸檬酸的最佳配比：檸檬酸與金屬的摩爾比為2。在此配比下，當Sb摻雜含量從0at.％增加到30at

4、.％時，Sb均成功摻雜進入SnO2晶格，摻雜可控且無表面偏析現象。ATO納米粉體具有較好的結晶性，晶粒尺寸大約為20nm。
　　其次，本文以溶膠凝膠法合成的ATO納米粉體為原料，采用電場活化燒結技術，制備物相單一、高致密的ATO陶瓷靶材。通過研究燒結工藝參數（燒結溫度、升溫速率和燒結壓力）、銻摻雜含量和樣品尺寸對ATO陶瓷顯微結構及致密度的影響，確定了電場活化燒結的最佳工藝條件；通過分析電場活化燒結過程中ATO納米陶瓷的結構演變，

5、采用ANSYS軟件數值模擬電場活化燒結過程中的電場分布和熱場分布，建立ATO納米導電陶瓷的電場活化燒結機制；在高致密ATO陶瓷的基礎上，系統(tǒng)研究銻摻雜含量和晶粒尺寸對ATO陶瓷導電性能的影響。研究表明：在最佳工藝條件（燒結溫度1000℃，升溫速率100℃/分鐘，燒結壓力40MPa，保溫時間3分鐘）下，銻摻雜含量從1at.％增加到10at.％， ATO納米陶瓷的致密度均在95％以上，且銻均成功摻雜進入 SnO2晶格。當銻摻雜含量為5at.

6、％時，ATO納米陶瓷的致密度最高為99.2％。電場活化燒結具有明顯的尺寸效應，小尺寸（直徑20mm）樣品內部結構均勻、易燒結致密化，大尺寸（直徑50mm以上）樣品內部結構不均勻、不易致密化。當延長保溫時間至30分鐘時，獲得結構均勻、完整、致密（致密度98.1％），樣品直徑為50mm， Sb摻雜含量為5at.％的ATO陶瓷靶材。ATO納米陶瓷的電場活化致密化過程可分為兩個階段：第一階段，樣品為原始粉料堆積狀態(tài)，電阻率較高，電流主要從石墨模

7、具中通過，樣品熱量全部來自于石墨的熱傳導；第二階段，樣品開始致密化，電阻率降低，部分電流從樣品中流過，蒸發(fā)凝聚再結晶促進物質遷移，促進致密化，導電性能越好的樣品，通過電流越多，物質遷移越快，致密度越高。ATO陶瓷的電阻率隨銻摻雜含量的增加先減小后增加，隨晶粒尺寸的增加而減小。當銻摻雜含量為5at.％，晶粒尺寸為50nm時，ATO陶瓷的電阻率最低為4.43×10-3Ωcm。
　　最后，本文采用磁控濺射沉積制備低電阻率、高透過率的AT

8、O薄膜。研究不同致密度靶材鍍膜前后的組成結構變化、靶材致密度對ATO薄膜組成結構及性能的影響；并采用成膜效果最佳的ATO靶材，調控磁控濺射工藝參數（退火處理、氧氣分壓、沉積溫度、濺射功率），研究工藝參數對ATO薄膜組成結構及性能的影響，建立ATO薄膜組成結構與其導電、光學性能之間的關系，得到性能最佳的ATO薄膜。研究表明：在相同磁控濺射工藝條件下，市售低致密ATO靶材易結瘤，易產生微電弧放電，微電弧放電使得靶材表面Sb含量從4.87 a

9、t.％顯著降低至2.03 at.％，Sn（Sn-OH）化學態(tài)含量從4.05％顯著增加到22.07％，從而導致低致密ATO靶材制備的ATO薄膜Sb含量不到1 at.％，Sb5+/Sb3+比例較低。自制高致密ATO納米陶瓷靶材易于控制ATO薄膜的Sb摻雜含量，有利于制備高載流子濃度、低電阻率、高透過率的ATO薄膜。當氧氣分壓為O2/(O2+Ar)=10％，沉積溫度為300℃，濺射功率為300W，濺射30分鐘后于空氣氣氛中450℃退火15分鐘