高压下制备的透明低阻n-ZnO

高压下制备的透明低阻n-ZnO陶瓷

讲述人：洪琦棱ＰＰＴ制作：费佳蕾

RQ文献搜集：张云柯、张旭良、张英杰、泽仁翁姆、周涵摘要实验结果与讨论结论摘要

常压下的ZnO是一致熔融化合物，其熔点为1975℃，它不仅具有强烈的极性折晶特效，而且在1300℃以上会发生严重的升华；纤锌矿结构的ZnO具有光学各向异性，对光产生双折射而引发散射等。因此，透明ZnO陶瓷的制备遇到了极大困难，也限制了ZnO陶瓷在紫外发光等电子器件领域的应用。近年来对高压的研究发现，高压可以有效的抑制材料的升华、控制材料中晶粒生产尺寸以及提高材料致密度，而且还可以改变材料的许多物理和化学性质。所以，实验中设计了以高质量纳米ZnO粉体为原料，采用高压抑制ZnO升华以及提高陶瓷密度。另外，由于高压下ZnO陶瓷中的晶粒生长是一个准热力学平衡过程，所以期望通过调节压力和温度的关系，控制ZnO陶瓷中的晶粒生长尺寸来降低因ZnO结构所产生的双折射。处理工艺

将ZnO粉体在5MPa的条件下，预压呈ф15.5×1.1mm（直径）的合成样品实验是在中国式的SPD6×1200型六面高压设备上进行的。ZnO粉体的纯度为99.9%，平均粒径约为100nm，呈球状然后放入Mo套中防止污染。将Mo套放入作为加热容器的石墨坩埚中再放入叶蜡石合成腔中。烧结的压力和温度分布为1-5GPa，600-1300℃，时间为15min。为消除ZnO陶瓷中的残余应力，将烧结的样品进行原位缓慢退火，时间为5t处理工艺样品表征X射线衍射仪（XRD）分析晶体结构扫描电子显微镜（SEM）表征其表面形态采用X射线能谱仪（EDS）分析样品的组成采用光致发光（PL）测量发光性能X射线衍射仪（XRD）分析晶体结构ZnO的XRD（a）ZnO粉末；（b）5Gpa,800℃烧结的ZnO陶瓷5GPa，800℃烧结的ZnO透明陶瓷为纤锌矿结构，与初始的纳米ZnO粉体相比，衍射峰位发生了较大的红移通过计算可知，ZnO透明陶瓷中晶胞体积减小了3.7%。ZnO的相平衡压力与温度的关系为P（GPa）=8.0-0.0023×T（K），且压力的增加将伴随晶胞体积的减小样品表征X射线衍射仪（XRD）分析晶体结构扫描电子显微镜（SEM）表征其表面形态采用X射线能谱仪（EDS）分析样品的组成采用光致发光（PL）测量发光性能5GPa，800℃烧结的ZnO陶瓷（a）透射率曲线及样本光学曲线；（b）ZnO陶瓷表面SEM照片扫描电子显微镜（SEM）表征其表面形态（a）为5GPa，800℃烧结的ZnO陶瓷的投射曲线，透过率约为49%，插图为ф15.5×1.1mmZnO陶瓷照片，呈浅黄色（b）为ZnO陶瓷表面SEM照片。从图中可以看出，ZnO的平均粒径为150nm，与初始的粉体粒径相比增加了50nm左右，这比常压烧结的ZnO粒径小了很多，其原因可能源于压力的作用样品表征X射线衍射仪（XRD）分析晶体结构扫描电子显微镜（SEM）表征其表面形态采用X射线能谱仪（EDS）分析样品的组成采用光致发光（PL）测量发光性能采用X射线能谱仪（EDS）分析样品的组成ZnO的EDS谱（a）ZnO粉末（b）5GPa，800℃制备的ZnO透明陶瓷图4（a）所示的ZnO粉体中的Zn和O原子比约为1:1，而图4（b）所示透明ZnO陶瓷中Zn和O原子比约为0.53:0.47，说明陶瓷处于富Zn状态。这种富Zn状态的形成归因于温度对于氧空位的影响样品表征X射线衍射仪（XRD）分析晶体结构扫描电子显微镜（SEM）表征其表面形态采用X射线能谱仪（EDS）分析样品的组成采用光致发光（PL）测量发光性能采用光致发光（PL）测量发光性能

室温下观察到了透明ZnO陶瓷在3.31eV处紫外发射和2.85、2.27eV处可见发射3个谱峰；而低温（80K）下在3.36、3.31、3.24、2.85和2.27eV处观察到了5个谱峰（Eg=1240/λ）。其中，3.36eV的发射峰归因于自由激子发射，3.31、3.24eV的峰分别归因于FX在72eV周期间隔的FX-LO和FX-2LO，说明ZnO陶瓷为n型导电结构

结论

透明陶瓷的形成归因于压力和温度对晶粒尺寸、再结晶速度及密度的调控在5GPa，800℃时获得了最佳性能的低阻ZnO透明陶瓷，低阻Z