高密度细晶粒IZO靶材制备及烧结机理研究

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氧化铟锌(IZO)薄膜因其稳定的非晶态结构、优异的耐弯折特性、较低的电阻率以及较高的透过率,在柔性显示市场展现出巨大的应用潜力。IZO靶材作为显示领域的关键基础材料,深入研究IZO靶材不仅能够有效贴合平板显示产业的快速发展,而且满足市场对高端氧化物溅射靶材的需求。本文通过水热法合成了高结晶度的IZO复合纳米粉体,利用模压—冷等静压成形和常规烧结工艺获得了高致密度的IZO靶材;同时采用质量比为In2O3:ZnO=89.3:10.7的单体混合粉制备了流变性能良好的浆料,利用压力注浆成型和两步法烧结工艺制备了细晶粒IZO靶材。得到的主要结论如下:(1)采用水热法制备IZO复合纳米粉体,探究了Zn2+浓度与体系pH值对粉体晶型和形貌的影响机制。结果表明:pH值对粉体形貌影响较大,经过500℃煅烧后,pH=5时粉体为不规则形状;pH=7时粉体为层片状,且Zn2+完全沉淀;pH=9和11时粉体形貌为立方状,尺寸分布不均,粒径范围为100-500 nm。在常规烧结工艺中,试样In:Zn=1:1的IZO复合纳米粉体经过煅烧-球磨-压坯后,在1550℃保温20 h可实现完全致密化,平均晶粒尺寸为3.3μm。(2)采用单体粉混合工艺制备IZO靶材,探究了球磨时间对浆料流变性能的影响;探究了烧结温度及烧结气氛对物相转变、致密化和晶粒生长机制的影响。结果表明:最优球磨时间为40 h,可得到80 wt.%固含量、低粘度(在剪切速率范围20 s-1~80 s-1对应的粘度值为45 m Pa·s)和较窄的粒径分布(平均粒径为365 nm)的浆料。压力注浆成型的IZO素坯的结构均匀,致密度为62%;将IZO素坯分别以3、5和7℃/min的速率升温至1500℃的收缩数据用于构建主烧结曲线模型,计算出致密化激活能Qd=580 kJ/mol;采用常规烧结法(1300-1600℃保温0.5 h-20 h)制备的IZO靶材的致密度可由95.5%提升至99.2%,其平均晶粒尺寸由1.9μm增大至7.3μm。通过构建布鲁克晶粒生长模型,计算出IZO靶材的晶粒生长激活能Qg=690 kJ/mol。与空气气氛烧结相比,IZO靶材在氧气气氛烧结下的孔隙率及孔径较小,致密度更高。(3)通过优化两步法烧结工艺参数(T1、T2、t2),制备出高致密度、细晶粒和低电阻率的IZO靶材。结果表明:T1温度不应低于1450℃,临界密度需达到96.3%;T2温度不应高于1400℃,否则会导致晶界迁移速率大于晶界扩散速率,引起晶粒快速生长。利用常规烧结法最佳工艺(T=1500℃,t=15 h)得到的致密度为99.2%,平均晶粒尺寸为4.15μm,电阻率为2.1 mΩ·cm的IZO靶材;而利用两步法烧结的最佳工艺(T1=1500℃,T2=1400℃,t2=20 h)得到IZO靶材致密度为99.5%,平均晶粒尺寸为3.4μm,电阻率为1.5 mΩ·cm,平均晶粒尺寸较常规烧结法降低0.75μm,有效地抑制了晶粒的生长。
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