高壓下制備的透明低阻n-ZnO陶瓷

講述人：洪琦棱ＰＰＴ制作：費(fèi)佳蕾

RQ文獻(xiàn)搜集：張?jiān)瓶?、張旭良、張英杰、澤仁翁姆、周涵摘要?shí)驗(yàn)結(jié)果與討論結(jié)論摘要

常壓下的ZnO是一致熔融化合物，其熔點(diǎn)為1975℃，它不僅具有強(qiáng)烈的極性折晶特效，而且在1300℃以上會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的升華；纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO具有光學(xué)各向異性，對(duì)光產(chǎn)生雙折射而引發(fā)散射等。因此，透明ZnO陶瓷的制備遇到了極大困難，也限制了ZnO陶瓷在紫外發(fā)光等電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用。近年來(lái)對(duì)高壓的研究發(fā)現(xiàn)，高壓可以有效的抑制材料的升華、控制材料中晶粒生產(chǎn)尺寸以及提高材料致密度，而且還可以改變材料的許多物理和化學(xué)性質(zhì)。所以，實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了以高質(zhì)量納米ZnO粉體為原料，采用高壓抑制ZnO升華以及提高陶瓷密度。另外，由于高壓下ZnO陶瓷中的晶粒生長(zhǎng)是一個(gè)準(zhǔn)熱力學(xué)平衡過(guò)程，所以期望通過(guò)調(diào)節(jié)壓力和溫度的關(guān)系，控制ZnO陶瓷中的晶粒生長(zhǎng)尺寸來(lái)降低因ZnO結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的雙折射。處理工藝

將ZnO粉體在5MPa的條件下，預(yù)壓呈ф15.5×1.1mm（直徑）的合成樣品實(shí)驗(yàn)是在中國(guó)式的SPD6×1200型六面高壓設(shè)備上進(jìn)行的。ZnO粉體的純度為99.9%，平均粒徑約為100nm，呈球狀然后放入Mo套中防止污染。將Mo套放入作為加熱容器的石墨坩堝中再放入葉蠟石合成腔中。燒結(jié)的壓力和溫度分布為1-5GPa，600-1300℃，時(shí)間為15min。為消除ZnO陶瓷中的殘余應(yīng)力，將燒結(jié)的樣品進(jìn)行原位緩慢退火，時(shí)間為5t處理工藝樣品表征X射線衍射儀（XRD）分析晶體結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡（SEM）表征其表面形態(tài)采用X射線能譜儀（EDS）分析樣品的組成采用光致發(fā)光（PL）測(cè)量發(fā)光性能X射線衍射儀（XRD）分析晶體結(jié)構(gòu)ZnO的XRD（a）ZnO粉末；（b）5Gpa,800℃燒結(jié)的ZnO陶瓷5GPa，800℃燒結(jié)的ZnO透明陶瓷為纖鋅礦結(jié)構(gòu)，與初始的納米ZnO粉體相比，衍射峰位發(fā)生了較大的紅移通過(guò)計(jì)算可知，ZnO透明陶瓷中晶胞體積減小了3.7%。ZnO的相平衡壓力與溫度的關(guān)系為P（GPa）=8.0-0.0023×T（K），且壓力的增加將伴隨晶胞體積的減小樣品表征X射線衍射儀（XRD）分析晶體結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡（SEM）表征其表面形態(tài)采用X射線能譜儀（EDS）分析樣品的組成采用光致發(fā)光（PL）測(cè)量發(fā)光性能5GPa，800℃燒結(jié)的ZnO陶瓷（a）透射率曲線及樣本光學(xué)曲線；（b）ZnO陶瓷表面SEM照片掃描電子顯微鏡（SEM）表征其表面形態(tài)（a）為5GPa，800℃燒結(jié)的ZnO陶瓷的投射曲線，透過(guò)率約為49%，插圖為ф15.5×1.1mmZnO陶瓷照片，呈淺黃色（b）為ZnO陶瓷表面SEM照片。從圖中可以看出，ZnO的平均粒徑為150nm，與初始的粉體粒徑相比增加了50nm左右，這比常壓燒結(jié)的ZnO粒徑小了很多，其原因可能源于壓力的作用樣品表征X射線衍射儀（XRD）分析晶體結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡（SEM）表征其表面形態(tài)采用X射線能譜儀（EDS）分析樣品的組成采用光致發(fā)光（PL）測(cè)量發(fā)光性能采用X射線能譜儀（EDS）分析樣品的組成ZnO的EDS譜（a）ZnO粉末（b）5GPa，800℃制備的ZnO透明陶瓷圖4（a）所示的ZnO粉體中的Zn和O原子比約為1:1，而圖4（b）所示透明ZnO陶瓷中Zn和O原子比約為0.53:0.47，說(shuō)明陶瓷處于富Zn狀態(tài)。這種富Zn狀態(tài)的形成歸因于溫度對(duì)于氧空位的影響樣品表征X射線衍射儀（XRD）分析晶體結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡（SEM）表征其表面形態(tài)采用X射線能譜儀（EDS）分析樣品的組成采用光致發(fā)光（PL）測(cè)量發(fā)光性能采用光致發(fā)光（PL）測(cè)量發(fā)光性能

室溫下觀察到了透明ZnO陶瓷在3.31eV處紫外發(fā)射和2.85、2.27eV處可見(jiàn)發(fā)射3個(gè)譜峰；而低溫（80K）下在3.36、3.31、3.24、2.85和2.27eV處觀察到了5個(gè)譜峰（Eg=1240/λ）。其中，3.36eV的發(fā)射峰歸因于自由激子發(fā)射，3.31、3.24eV的峰分別歸因于FX在72eV周期間隔的FX-LO和FX-2LO，說(shuō)明ZnO陶瓷為n型導(dǎo)電結(jié)構(gòu)

結(jié)論

透明陶瓷的形成歸因于壓力和溫度對(duì)晶粒尺寸、再結(jié)晶速度及密度的調(diào)控在5GPa，800℃時(shí)獲得了最佳性能的低阻ZnO透明陶瓷，低阻Z