CN105585317A - 一种锡酸镉靶材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锡酸镉靶材及其制备方法，属于陶瓷靶材技术领域。该锡酸镉靶材的组成为Cd₂SnO₄和CdSnO₃，其中Cd₂SnO₄的含量大于95w％。本发明以SnO₂粉和CdO粉为原料粉制成的Cd₂SnO₄单相粉体为原料，采用热压烧结工艺，不添加任何添加剂，并且在热压工艺中采用两段式温度，进行低温真空烧结，高温氩气保护烧结，制得致密的锡酸镉陶瓷靶材。该靶材中Cd₂SnO₄含量大于95w％，相对密度达到80～95％，电阻率达到1～6×10^-4Ω·cm。

Description

一种锡酸镉靶材及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种陶瓷靶材及其制备方法，具体为一种锡酸镉靶材及其热压制备方法，属于陶瓷靶材技术领域。

背景技术

Cd₂SnO₄薄膜兼具宽带隙，低电阻率，高可见光透射率，载流子迁移率较高等优势。和SnO₂薄膜相比，Cd₂SnO₄薄膜具有更高的耐磨性和抗腐蚀性，同时具有较低的表面粗糙度并且特别稳定。和ITO薄膜相比，Cd₂SnO₄薄膜价格低廉，可降低薄膜太阳能电池的成本。同时Cd₂SnO₄与AZO等薄膜相比，其导电性和透光率更高，可以广泛应用于太阳能电池，透明电极及各种敏感器件领域，具有广阔的发展空间，尤其是在CdS/CdTe和CIGS薄膜太阳能装置的应用中具有明显的优势。现已发现，用Cd₂SnO₄透明导电薄膜替代SnO₂薄膜层可以提高薄膜太阳能面板的稳定性和性价比。

通常，溅射法制备Cd₂SnO₄薄膜的原材料包括合金靶(Cd-Sn)和氧化物靶材(Cd₂SnO₄)两种。利用金属靶进行反应溅射时，如果靶材表面发生氧化反应使得靶材表面结成一层氧化层，即表现为中毒。合金靶材的溅射过程中易出现中毒现象，而氧化物靶材具有良好的导电性能，能适用于直流溅射。目前，已有研究表明Cd₂SnO₄热压陶瓷靶溅射薄膜的电阻率较Cd-Sn合金靶材低。

发明内容

针对现有技术的不足和缺陷，本发明的目的是提供一种用于溅射透明导电薄膜的锡酸镉靶材及其制备方法。

一种锡酸镉靶材，其组成为：Cd₂SnO₄和CdSnO₃，其中Cd₂SnO₄的含量大于95w％。

该靶材中，主相为Cd₂SnO₄，微量的CdSnO₃，靶材的相对密度为80％-95％，靶材的电阻率为1～6×10^-4Ω·cm。

上述锡酸镉靶材的制备方法，其实现过程如下：以SnO₂粉和CdO粉为原料粉制成的Cd₂SnO₄单相粉体为原料，采用热压烧结工艺，所述的热压烧结工艺中不添加任何添加剂，并且本热压工艺中采用两段式温度，低温真空烧结，压力为100MPa，高温氩气保护烧结，制得致密的锡酸镉陶瓷靶材。

所述锡酸镉靶材的制备方法包括如下的具体步骤：

(1)称量纯度≥99％(质量％)的SnO₂粉和纯度≥99％(质量％)的CdO粉，混合；

(2)将上述混合原料放置于球磨罐中，球磨均匀后，煅烧，得到Cd₂SnO₄单相粉体；

(3)将步骤(2)所得到的锡酸镉原料粉体，装入石墨模具中，将石墨模具放置于热压炉内，抽真空后开始升温，温度达到500～800℃，优选为700～800℃时，保温30min～50min，保持体系真空度在100Pa～200Pa，不加压；

(4)随后进行再次升温，在升温过程中，充氩气，并不断加压，当温度升至900～1100℃，压力达到10～30MPa时，开始保温保压，保温保压1～2小时后，关闭加热电源，开始降温；等温度降至700～900℃，优选至700～800℃，逐渐缓慢泄压，至常压；

(5)等热压炉完全冷却后，得到锡酸镉靶材坯料；

(6)将所述靶材坯料进行机械加工、清洗、烘干，得到锡酸镉靶材。

步骤(1)中，SnO₂粉与CdO粉的摩尔比为：SnO₂:CdO＝1:(1.5～2.5)。

步骤(2)中，所述的球磨的时间为1～3小时，所述的煅烧的温度为900～1100℃，煅烧时间为3～5小时。

步骤(3)中，抽真空到1×10^-1Pa以下。

步骤(6)中，所述的机械加工为磨削；所述的清洗为将靶材放入纯净水中进行超声清洗1～2小时；洗净后将靶材放入鼓风干燥箱中烘干，最后得到镀膜用的靶材。

所制备的锡酸镉靶材相对密度达到80％-95％，电阻率达到1～6×10^-4Ω·cm，Cd₂SnO₄含量大于95w％。该锡酸镉靶材适用于溅射制备透明导电薄膜。

本发明与现有技术相比，具有以下突出优点：

1、采用控制原料混合及固相反应条件来制备Cd₂SnO₄原料粉体，获得单相Cd₂SnO₄原料粉体，采用该粉体制得的Cd₂SnO₄靶材主相含量大幅提高。

2、采用热压工艺制备锡酸镉靶材，有利于得到密度均匀的高致密靶材，相对于无压烧结，所需要的烧结温度也大大降低。

3、热压工艺采用两段式温度，低温无压真空保温，有利于进一步脱除坯料中的气体和轻金属杂质，并均匀了坯料的温度场，为后期热压过程中得到密度均匀的靶材提供了保证。

4、高温过程工艺和随后的降温过程中的保压工艺能进一步提高靶材的致密度，并能防止为了得到高致密度的靶材，提高烧结温度和延长保温时间而导致靶材晶粒度过大的弊病。本工艺既能得到高致密的靶材，同时靶材的晶粒度也不至于过大。

下面通过对具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

附图说明

图1为本发明中Cd₂SnO₄单相粉体XRD图。

图2为本发明中有无预烧粉制备的Cd₂SnO₄靶材XRD对比图。

具体实施方式

本发明方法以SnO₂粉和CdO粉为原料，采用固相反应得到混匀的单相Cd₂SnO₄粉体，再采用高温高压的热压成型工艺制备致密的锡酸镉陶瓷靶材，靶材相对密度达到80～95％，电阻率达到1～6×10^-4Ω·cm。

首先，将纯度≥99％(质量％)的SnO₂粉与纯度≥99％(质量％)的CdO粉按一定的摩尔比称量，混合；将上述混合原料放置于球磨罐中，球磨均匀后，在一定温度煅烧，得到Cd₂SnO₄单相粉体；然后称取一定量上述步骤所得到的锡酸镉原料粉体，装入石墨模具中，冷压后，将石墨模具放置于热压炉内，抽真空到1×10^-1Pa时开始升温，温度达到500～800℃，保温30min～50min，体系真空度保持在100Pa，不加压；随后进行再次升温，在升温过程中，充氩气，在升温过程中不断加压，当温度升至900～1100℃，压力达到10～30MPa，开始保温保压，保温保压1～2小时后，关闭加热电源，开始降温。等温度降至700～900℃，逐渐缓慢泄压，至常压。等热压炉完全冷却后，得到锡酸镉靶材坯料；将所述靶材坯料进行机械加工、清洗、烘干，得到锡酸镉靶材。

实施例一

一种锡酸镉靶材的制备方法，包括如下步骤：

1.将纯度99w％的CdO粉和纯度99.5w％的SnO₂粉按摩尔比2:1的比例称量。然后放置于球磨罐中，球磨1小时后，进行煅烧，温度为900℃，时间为3小时，得到混匀的锡酸镉靶材原料粉体。

如图1所示，为本实施例中Cd₂SnO₄靶材原料粉体的XRD图。XRD结果显示按本实施例中的方法制得的原料粉体为Cd₂SnO₄单相粉体。

2.称量一定量的上述原料粉体放置于尺寸为Ф60mm石墨模具中，冷压后，放入热压炉内。抽真空至1×10^-1Pa时开始升温，温度达到700℃，保温30min，保持体系真空度在100Pa，不加压；随后升温，充氩气，并不断加压，升温至1100℃，压力达到10MPa，保温保压1小时后，关闭加热电源，开始降温。等温度降至800℃，逐渐缓慢泄压，至常压。等热压炉完全冷却后，得到锡酸镉靶材坯料，随后对靶材坯料进行机械磨削加工、将靶材放入纯净水中进行超声清洗1小时、在鼓风干燥箱中烘干，得到锡酸镉靶材。靶材的物相分析Cd₂SnO₄相含量大于95％，相对密度85％，电阻率6×10^-4Ω·cm。

如图2所示，为本发明中有无预烧粉制备的Cd₂SnO₄靶材XRD对比图，其中①是实施例1，一定比例的CdO粉和SnO₂粉900℃煅烧后制得Cd₂SnO₄单相粉体，然后将Cd₂SnO₄单相粉体制得靶材；②是一定比例的CdO粉和SnO₂粉直接通过热压制得Cd₂SnO₄靶材，其它工艺条件与实施例1相同。

图2中两种方法制得的Cd₂SnO₄靶材XRD分析结果对比可知：无预烧粉制得的Cd₂SnO₄靶材(图中②所示)，Cd₂SnO₄相的峰强要弱于预烧粉制得的靶材，并且除主相Cd₂SnO₄外，还出现了杂峰相；而通过增加预烧粉步骤制得的Cd₂SnO₄靶材(图中①所示)，杂峰相几乎没有。因此通过本实施例的方法制备Cd₂SnO₄靶材，能够提升靶材中主相Cd₂SnO₄的含量。

实施例二

一种锡酸镉靶材的制备方法，包括如下步骤：

1.将纯度99w％的CdO粉和纯度99.5w％的SnO₂粉按摩尔比2:1的比例称量。然后放置于球磨罐中，球磨3小时后，将混合均匀的原料粉在1100℃高温煅烧5小时，得到混匀的Cd₂SnO₄单相粉体。

2.称量一定量的上述原料粉体放置于尺寸为Ф60mm石墨模具中，冷压后，放入热压炉内。抽真空至1×10^-1Pa时开始升温，温度达到800℃，保温30min，保持体系真空度在100Pa，不加压；随后升温，充氩气，并不断加压，升温至900℃，压力达到25MPa，保温保压2小时后，关闭加热电源，开始降温。等温度降至700℃，逐渐缓慢泄压，至常压。等热压炉完全冷却后，得到锡酸镉靶材坯料，随后对靶材坯料进行机械磨削加工、将靶材放入纯净水中进行超声清洗2小时、在鼓风干燥箱中烘干，得到锡酸镉靶材。靶材的物相分析Cd₂SnO₄相含量大于95％，相对密度90％，电阻率1.7×10^-4Ω·cm。

实施例三

一种锡酸镉靶材的制备方法，包括如下步骤：

1.将纯度99w％的CdO粉和纯度99.5w％的SnO₂粉按摩尔比2:1的比例称量。然后放置于球磨罐中，球磨2小时后，将混合均匀的原料粉在1000℃高温煅烧4小时，得到混匀的Cd₂SnO₄单相粉体。

2.称量一定量的上述原料粉体放置于尺寸为Ф60mm石墨模具中，冷压后，放入热压炉内。抽真空至1×10^-1Pa时开始升温，温度达到700℃，保温40min，保持体系真空度在100Pa，不加压；随后升温，充氩气，并不断加压，升温至1050℃，压力达到30MPa，保温保压2小时后，关闭加热电源，开始降温。等温度降至700℃，逐渐缓慢泄压，至常压。等热压炉完全冷却后，得到锡酸镉靶材坯料，随后对靶材坯料进行机械磨削加工、将靶材放入纯净水中进行超声清洗2小时、在鼓风干燥箱中烘干，得到锡酸镉靶材。靶材的物相分析Cd₂SnO₄相含量大于95％，相对密度93％，电阻率3×10^-4Ω·cm。

Claims (7)

1.一种锡酸镉靶材，其特征在于：它的组成为Cd₂SnO₄和CdSnO₃，其中Cd₂SnO₄的含量大于95w％。

2.一种锡酸镉靶材的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

(1)称量纯度≥99w％的SnO₂粉和纯度≥99w％的CdO粉，混合；

(2)将混合原料放置于球磨罐中，球磨均匀后，煅烧，得到Cd₂SnO₄单相粉体；

(3)将得到的锡酸镉原料粉体，装入石墨模具中，将石墨模具放置于热压炉内，抽真空后开始升温，温度达到500～800℃时，保温30min～50min，保持体系真空度在100Pa，不加压；

(4)随后进行再次升温，在升温过程中，充氩气，并不断加压，当温度升至900～1100℃，压力达到10～30MPa时，开始保温保压，保温保压1～2小时后，关闭加热电源，开始降温；等温度降至700～900℃，逐渐缓慢泄压，至常压；

(5)等热压炉完全冷却后，得到锡酸镉靶材坯料；

(6)将所述靶材坯料进行机械加工、清洗、烘干，得到锡酸镉靶材。

3.根据权利要求2所述的锡酸镉靶材的制备方法，其特征在于：SnO₂粉与CdO粉的摩尔比为：SnO₂:CdO＝1:(1.5～2.5)。

4.根据权利要求2所述的锡酸镉靶材的制备方法，其特征在于：所述的球磨时间为1～3小时，所述的煅烧的温度为900～1100℃。

5.根据权利要求2所述的锡酸镉靶材的制备方法，其特征在于：抽真空到1×10^-1Pa以下。

6.根据权利要求2所述的锡酸镉靶材的制备方法，其特征在于：所述的机械加工为磨削；所述的清洗为将靶材放入纯净水中进行超声清洗1～2小时；洗净后将靶材放入鼓风干燥箱中烘干，最后得到镀膜用的靶材。

7.根据权利要求2所述的锡酸镉靶材的制备方法，其特征在于：所述的锡酸镉靶材Cd₂SnO₄含量大于95w％，相对密度为80％-95％，电阻率为1～6×10^-4Ω·cm。