摘要：本文利用砂磨、造粒、模压成型、高温烧结一系列方法制备出In2O3:SnO2=90:10的ITO粉体与高密度的ITO靶材，研究了In2O3和SnO2比表面积和ITO粉末松装密度对ITO靶材密度的影响。In2O3粉末比表面积采用7g/m2、9g/m2、10g/m2、12g/m2，SnO2比表面积采用6g/m2、8g/m2、10g/m2、14g/m2，砂磨介质氧化锆磨球采用0.3mm、0.5mm、0.8mm，进行多批次砂磨实验，采用统一烧结曲线。结果表明：当In2O3比表面积在12g/m2左右时，SnO2比表面积在10g/m2左右时，采用0.8mm氧化锆磨球砂磨，松装在1.5g/cm3~1.55g/cm3之间，粉末成型烧结时ITO靶材密度最高。
关键词：氧化铟,比表面积,松装密度,ITO
氧化铟锡（ITO）作为一种具备出色导电性以及极高可见光透过率的透明导电氧化物，在众多领域中都有着极为广泛且重要的应用，例如平板显示领域、发光二极管领域、薄膜太阳能电池领域、传感器领域等等。ITO属于一种宽禁带的高简并n型半导体材料，其独特的晶体结构呈现为立方铁锰矿型结构。当锡掺入到氧化铟（In2O3）之中时，会在In2O3的晶格内部引发氧空位缺陷。这种缺陷的产生，使得固溶体当中形成了数量众多、能够自由移动的电子。当处于电场的刺激之下，这些电子会拥有高浓度的载流子，正因如此，ITO展现出了类似于金属的导电率。在ITO靶材的制备过程中，生坯所具有的均匀性以及密度等特性，对于靶材的后续烧结环节有着至关重要的影响。就ITO生坯的成型方式而言，主要包含了模压成型、等静压成型、高压注浆成型、凝胶注模成型等等。在整个成型的过程当中，必须确保颗粒的堆积密度达到理想状态，同时还要保证堆积的均匀性。一旦堆积出现不均匀的情况，就会导致靶材在烧结的进程中产生收缩方面的差异，进而在靶材的内部形成孔洞，使得靶材的密度大幅降低。生坯具备较高的密度，不但能够显著提高陶瓷的密度，而且还有助于获得较小的晶粒尺寸，这对于ITO靶材最终的性能和质量都有着不可忽视的积极作用。
笔者选取In2O3粉末与SnO2粉末作为原材料，通过球磨、砂磨以及喷雾造粒等一系列工艺，成功获取了In2O3与SnO2质量比为97:3的高铟含量ITO粉体。此后，经过冷等静压处理，再运用常压烧结法，分别在600℃、1250℃、1650℃的温度下保温一定时间，最终制得相对密度达到99.3%、平均粒径为6.84μm、抗弯强度为149MPa的ITO靶材。程念采用模压成型的方法（压力为200MPa）制备出相对密度为47%的素坯，随后将其置于烧结炉中，通过控制升温速率来制备ITO靶材。研究结果表明，当温度低于500℃时，由于有机物的分解以及水分的蒸发等因素，此时需要较低的升温速率。而在高温阶段，则需要较快的升温速率，以防靶材因长时间分解而导致密度降低。具体而言，在温度低于500℃时，升温速率控制为3℃/min，在500℃~1550℃的温度区间内，升温速率调整为8℃/min，在这样的条件下制备的ITO靶材，其相对密度高达99.58%。Xu借助常压烧结的方式制备In2O3与氧化锡（SnO2）质量比分别为90:10、93:7、95:5、97:3的ITO靶，并分别在1550℃、1570℃、1580℃、1595℃保温6小时，深入探究不同SnO2含量对靶材所产生的影响。结果发现，SnO2含量的降低会致使烧结温度上升，从而使得晶粒出现异常长大的情况，靶材的密度也会相应有所降低。池铭浩利用注浆成型制备素坯后，在常压烧结法中控制氧气流量与保温时间，于1600℃的烧结温度下成功制备出含有In4Sn3O12相的ITO靶材。当氧气流量从40l/min增加到120l/min时，靶材的密度会有所提高，并且In4Sn3O12相的含量也会随之增加。然而，当氧气流量继续提高到160l/min时，靶材密度的变化则相对较小。此外，随着保温时间的增加，第二相长大的时间延长，其含量随之增加，靶材的相对密度也会相应提高。
从以上研究现状可以看出，提高ITO靶材密度的方法有很多，但是从原材料比表面积和松装密度去研究ITO靶材密度的很少。因此，本论文从原料开始以保证产品的纯度，利用砂磨、造粒、模压成型、高温烧结一系列方法制备出In2O3:SnO2=90:10的ITO粉体与高密度的ITO靶材，为相关企业与部门生产90:10的ITO粉体与靶材提供数据与技术参考，延伸产业链。
1实验
本次试验所采用的原料包括SnO2，其纯度高达99.99%，由汝阳瑞金电子科技有限公司予以提供；In2O3，纯度同样为99.99%，也是由汝阳瑞金电子科技有限公司供应。依照所规定的配比进行配料操作，其中In2O3粉末比表面积采用7g/m2、9g/m2、10g/m2、12g/m2，SnO2比表面积采用6g/m2、8g/m2、10g/m2、14g/m2，砂磨介质氧化锆磨球采用0.3g/m2、0.5g/m2、0.8mm，进行多批次砂磨实验。首先将SnO2粉末和In2O3粉末放置在一起，随后加入分散剂ZY-DP-I、粘结剂润宏C308以及消泡剂观荷PPE。接着，对其进行充分搅拌，使之均匀混合，最终获得混合浆料。将上述所得的混合浆料置于砂磨机中进行砂磨处理（其中磨球选用的是氧化锆），砂磨机的转速设定为800r/min，砂磨时间持续2小时。经过这一过程，得到砂磨浆料。接下来，把砂磨后的砂磨浆料放置在高温喷雾造粒机中展开喷雾造粒操作。在此过程中，进风温度设定为225℃,出风温度为110℃,机器的转速为8000r/min，通过这一系列操作，成功获得混合粉末。然后，将造粒完成后的混合粉末放入规格为100cm×200cm×10cm的平面靶模具当中。首先，使用万吨油压机对其进行一次压力成型处理，成型压力设定为100MPa，成型时间为10min。之后，将其装入薄膜袋中，并进行抽真空操作。最后，把处理后的物料放入冷等静压机中进行二次压力成型，成型压力调整为200MPa，成型时间为50min，至此，得到预烧结靶材，为后续的试验和研究做好了充分的准备。
将成型好的预烧结靶材放入烧结炉中烧结，烧结压力为20MPa，以1℃/min的速率由室温升温至250℃,再以1.5℃/min的速率由250℃升温至400℃,再以5℃/min的速率由400℃升温至650℃,保温2小时，再以5℃/min的速率由650℃升温至900℃,再以5℃/min的速率由900℃升温至1500℃,保温15小时；其中室温到900℃通氧气，900℃到1500℃通空气，1500℃后保温阶段通氧气，最后，降温得到高密度的靶材。
粉末比表面积数据使用贝士德BSD-660S比表面积及孔径分析仪测试，数据为随机取样三次测试所得到的均值。粉末松装密度测试使用丹东百特仪器有限公司BT-101松密度测试仪进行测试，数据为随机抽样三次测试所得到的均值。采用SU8000型扫描电子显微镜（SEM）观察ITO靶材断面的微观形貌。
2结果与讨论
2.1不同原材料比表面积对粉末松装密度的影响
为了研究原材料比表面积和氧化锆珠配方测出ITO粉末松装密度的影响，进行了20组平行试验。具体结果如下：
（1）In2O3的比表面积为7.2371g/m2，SnO2的比表面积为8.3652g/m2，氧化锆磨球直径为0.3mm，测得ITO粉末松装密度(A/D)为1.5832。
（2）In2O3的比表面积为7.2371g/m2，SnO2的比表面积为8.3652g/m2，氧化锆磨球直径为0.3mm，测得ITO粉末松装密度(A/D)为1.55。
（3）In2O3的比表面积为7.2371g/m2，SnO2的比表面积为8.3652g/m2，氧化锆磨球直径为0.3mm，测得ITO粉末松装密度(A/D)为1.4739。
（4）In2O3的比表面积为7.2371g/m2，SnO2的比表面积为6.6119g/m2，氧化锆磨球直径为0.3mm，测得ITO粉末松装密度(A/D)为1.5761。
（5）In2O3的比表面积为7.2371g/m2，SnO2的比表面积为6.6119g/m2，氧化锆磨球直径为0.3mm，测得ITO粉末松装密度(A/D)为1.5335。
（6）In2O3的比表面积为7.2371g/m2，SnO2的比表面积为14.3184g/m2，氧化锆磨球直径为0.3mm，测得ITO粉末松装密度(A/D)为1.6319。
（7）In2O3的比表面积为7.2371g/m2，SnO2的比表面积为14.3184g/m2，氧化锆磨球直径为0.3mm，测得ITO粉末松装密度(A/D)为1.6977。
（8）In2O3的比表面积为7.2371g/m2，SnO2的比表面积为8.3652g/m2，氧化锆磨球直径为0.5mm，测得ITO粉末松装密度(A/D)为1.5160。
（9）In2O3的比表面积为7.2371g/m2，SnO2的比表面积为8.3652g/m2，氧化锆磨球直径为0.5mm，测得ITO粉末松装密度(A/D)为1.5700。
（10）In2O3的比表面积为7.2371g/m2，SnO2的比表面积为6.6119g/m2，氧化锆磨球直径为0.5mm，测得ITO粉末松装密度(A/D)为1.5085。
（11）In2O3的比表面积为7.2371g/m2，SnO2的比表面积为8.3652g/m2，氧化锆磨球直径为0.5mm，测得ITO粉末松装密度(A/D)为1.5917。
（12）In2O3的比表面积为7.2371g/m2，SnO2的比表面积为14.3184g/m2，氧化锆磨球直径为0.5mm，测得ITO粉末松装密度(A/D)为1.5636。
（13）In2O3的比表面积为10.5685g/m2，SnO2的比表面积为8.3652g/m2，氧化锆磨球直径为0.5mm，测得ITO粉末松装密度(A/D)为1.5130。
（14）In2O3的比表面积为12.5655g/m2，SnO2的比表面积为8.3652g/m2，氧化锆磨球直径为0.5mm，测得ITO粉末松装密度(A/D)为1.5425。
（15）In2O3的比表面积为7.2371g/m2，SnO2的比表面积为14.3184g/m2，氧化锆磨球直径为0.8mm，测得ITO粉末松装密度(A/D)为1.5227。
（16）In2O3的比表面积为7.2371g/m2，SnO2的比表面积为8.3652g/m2，氧化锆磨球直径为0.8mm，测得ITO粉末松装密度(A/D)为1.5456。
（17）In2O3的比表面积为7.2371g/m2，SnO2的比表面积为8.3652g/m2，氧化锆磨球直径为0.8mm，测得ITO粉末松装密度(A/D)为1.4424。
（18）In2O3的比表面积为7.2371g/m2，SnO2的比表面积为14.3184g/m2，氧化锆磨球直径为0.8mm，测得ITO粉末松装密度(A/D)为1.5459。
（19）In2O3的比表面积为9.3558g/m2，SnO2的比表面积为9.6225g/m2，氧化锆磨球直径为0.8mm，测得ITO粉末松装密度(A/D)为1.4715。
（20）In2O3的比表面积为10.5685g/m2，SnO2的比表面积为9.6225g/m2，氧化锆磨球直径为0.8mm，测得ITO粉末松装密度(A/D)为1.4185。
该结果是In2O3粉末比表面积采用7g/m2、9g/m2、10g/m2、12g/m2，SnO2比表面积采用6g/m2、8g/m2、10g/m2、14g/m2，砂磨介质氧化锆磨球采用0.3mm、0.5mm、0.8mm，进行多批次砂磨实验，采用统一烧结曲线测试得出。可以看出，ITO粉末松装密度在同一平行组中数据不稳定，没有一定的趋势。因为，影响粉末松装密度的因素很多，如粉末颗粒形状、尺寸、表面粗糙度及粒度分布等。通常这些因素因粉末的制取方法及其工艺条件的不同而有明显差别。一般地说，粉末松装密度随颗粒尺寸的减小、颗粒非球状系数的增大以及表面粗糙度的增加而减小。粉末粒度组成对其松装密度的影响不是单值的，常由颗粒填充空隙和架桥两种作用来决定。所以，不同原材料比表面积对粉末松装密度的影响规律不太一样。还需要结合实际的ITO靶材密度来进一步判断原材料比表面积和松装密度对ITO靶材密度的影响规律。
2.2不同原材料比表面积对靶材密度的影响
为了研究原材料比表面积和氧化锆珠配方测出ITO靶材密度的影响，进行了20组平行试验，具体结果如下：
（1）In2O3的比表面积为7.2371g/m2，SnO2的比表面积为8.3652g/m2，氧化锆磨球直径为0.3mm，测得ITO靶材平均密度为7.1429g/cm3。
（2）In2O3的比表面积为7.2371g/m2，SnO2的比表面积为8.3652g/m2，氧化锆磨球直径为0.3mm，测得ITO靶材平均密度为7.1420g/cm3。
（3）In2O3的比表面积为7.2371g/m2，SnO2的比表面积为8.3652g/m2，氧化锆磨球直径为0.3mm，测得ITO靶材平均密度为7.1424g/cm3。
（4）In2O3的比表面积为7.2371g/m2，SnO2的比表面积为6.6119g/m2，氧化锆磨球直径为0.3mm，测得ITO靶材平均密度为7.1416g/cm3。
（5）In2O3的比表面积为7.2371g/m2，SnO2的比表面积为6.6119g/m2，氧化锆磨球直径为0.3mm，测得ITO靶材平均密度为7.1418g/cm3。
（6）In2O3的比表面积为7.2371g/m2，SnO2的比表面积为14.3184g/m2，氧化锆磨球直径为0.3mm，测得ITO靶材平均密度为7.1427g/cm3。
（7）In2O3的比表面积为7.2371g/m2，SnO2的比表面积为14.3184g/m2，氧化锆磨球直径为0.3mm，测得ITO靶材平均密度为7.1416g/cm3。
（8）In2O3的比表面积为7.2371g/m2，SnO2的比表面积为8.3652g/m2，氧化锆磨球直径为0.5mm，测得ITO靶材平均密度为7.1412g/cm3。
（9）In2O3的比表面积为7.2371g/m2，SnO2的比表面积为8.3652g/m2，氧化锆磨球直径为0.5mm，测得ITO靶材平均密度为7.1423g/cm3。
（10）In2O3的比表面积为7.2371g/m2，SnO2的比表面积为6.6119g/m2，氧化锆磨球直径为0.5mm，测得ITO靶材平均密度为7.1410g/cm3。
（11）In2O3的比表面积为7.2371g/m2，SnO2的比表面积为8.3652g/m2，氧化锆磨球直径为0.5mm，测得ITO靶材平均密度为7.1427g/cm3。
（12）In2O3的比表面积为7.2371g/m2，SnO2的比表面积为14.3184g/m2，氧化锆磨球直径为0.5mm，测得ITO靶材平均密度为7.1423g/cm3。
（13）In2O3的比表面积为10.5685g/m2，SnO2的比表面积为8.3652g/m2，氧化锆磨球直径为0.5mm，测得ITO靶材平均密度为7.1425g/cm3。
（14）In2O3的比表面积为12.5655g/m2，SnO2的比表面积为8.3652g/m2，氧化锆磨球直径为0.5mm，测得ITO靶材平均密度为7.1439g/cm3。
（15）In2O3的比表面积为7.2371g/m2，SnO2的比表面积为14.3184g/m2，氧化锆磨球直径为0.8mm，测得ITO靶材平均密度为7.1442g/cm3。
（16）In2O3的比表面积为7.2371g/m2，SnO2的比表面积为8.3652g/m2，氧化锆磨球直径为0.8mm，测得ITO靶材平均密度为7.1438g/cm3。
（17）In2O3的比表面积为7.2371g/m2，SnO2的比表面积为8.3652g/m2，氧化锆磨球直径为0.8mm，测得ITO靶材平均密度为7.1432g/cm3。
（18）In2O3的比表面积为7.2371g/m2，SnO2的比表面积为14.3184g/m2，氧化锆磨球直径为0.8mm，测得ITO靶材平均密度为7.1430g/cm3。
（19）In2O3的比表面积为9.3558g/m2，SnO2的比表面积为9.6225g/m2，氧化锆磨球直径为0.8mm，测得ITO靶材平均密度为7.1419g/cm3。
（20）In2O3的比表面积为10.5685g/m2，SnO2的比表面积为9.6225g/m2，氧化锆磨球直径为0.8mm，测得ITO靶材平均密度为7.1409g/cm3。
可以看出编号14的分组中，In2O3比表面积在12g/m2左右时，SnO2比表面积在10g/m2左右时，采用0.8mm氧化锆珠砂磨，松装在1.5cm3~1.55g/cm3之间，粉末成型烧结时ITO靶材密度最高，为7.1439g/cm3，相对密度可达99.83%。当ITO靶材平均密度几乎达到7.144g/cm3时，将发生质变。为了核对平均密度测试结果，我们使用扫描电子显微镜观察靶材的断面微观形貌。
2.3 ITO靶材断面微观形貌
针对In2O3比表面积为7g/m2、10g/m2、12g/m2的ITO靶材，进行断面微观形貌观察，可以看出，In2O3比表面积为12g/m2、相对密度为99%的ITO靶材断面有少量气孔，靶材不致密，密度较低。In2O3比表面积为10g/m2、相对密度为99.3%的ITO靶材断面有少量气孔，靶材也不致密，密度同样较低。In2O3比表面积为7g/m2、相对密度为99.6%的ITO靶材断面基本没气孔，靶材较为致密，密度较高。因为，ITO靶材平均密度决定了断面形貌的缺陷（气孔）程度，密度越高，气孔越少。
针对SnO2比表面积为6g/m2、8g/m2、9g/m2、14g/m2的ITO靶材，进行断面微观形貌观察，可以看出，SnO2比表面积为6g/m2、相对密度为99.55%的ITO靶材断面基本没气孔，靶材较为致密，密度较高。SnO2比表面积为8g/m2、相对密度为99.57%的ITO靶材断面基本没气孔，靶材较为致密，密度较高。SnO2比表面积为9g/m2、相对密度为99%的ITO靶材断面有较多气孔，靶材不致密，密度较低。SnO2比表面积为14g/m2、相对密度为99.1%的ITO靶材断面有较少气孔，靶材不致密，密度较低。
3结论
本文通过砂磨、造粒、模压成型、高温烧结一系列方法制备出In2O3:SnO2=90:10的ITO粉体与高密度的ITO靶材，探究了原材料In2O3、SnO2比表面积和ITO粉体松装密度对ITO靶材密度的影响，研究表明当In2O3比表面积在12g/m2时，SnO2比表面积在10g/m2左右时，采用0.8mm直径的氧化锆珠砂磨，松装在1.5g/cm3~1.55g/cm3之间，粉末成型烧结时ITO靶材密度最高，为7.1439g/cm3，相对密度可达99.83%。
文章出自SCI论文网转载请注明出处：https://www.lunwensci.com/ligonglunwen/80940.html
