[发明专利]低电阻氧化锌陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明提出了一种低电阻氧化锌陶瓷材料及其制备方法，按照重量份数计算，包括以下原料：氧化锌90～94份、氧化铝0.3～0.9份、硫化锌2～5份、氧化钇0.1～0.4份、二氧化钛1～2份、氧化铁0.1～0.4份及二氧化硅1～2份。制备方法：将上述原料进行粉碎得到粉体，然后混合再加入润滑剂，进行球磨；球磨粉体烘干，然后进行预烧，得到粉末；粉末进行压制成胚体；将胚体升温至900℃～1200℃，保温，冷却至室温后得到低电阻氧化锌陶瓷材料。该陶瓷材料提高了Al的固溶度并降低晶粒和晶界的结构差异，从而显著地降低了陶瓷的电阻率。

技术领域

本发明属于陶瓷技术领域，具体涉及一种低电阻氧化锌陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

氧化锌是一种宽带半导体多功能材料，具有高热稳定性和化学稳定性。近年来，关于ZnO压敏陶瓷材料制备的研究很多，但关于ZnO透明陶瓷材料制备的研究却非常少，主要是因为ZnO为纤锌矿结构，对于光的透射存在各向异性，另外由于陶瓷中存在大量晶界，也导致ZnO陶瓷电阻率偏高，因此不能作为光学陶瓷器件使用。

ZnO透明导电薄膜及热电材料都是基于高电导的n型ZnO。纯ZnO的导电率比较低，需要进一步提高其电导率。施主掺杂改性是提高ZnO导电率最常用的方法，常用的掺杂元素有Al、Ga、In、Mg、Ni和Co等。例如中国专利102584207A号报道了Al和Mg共掺的ZnO陶瓷，其电阻率可以达到40-50欧姆·厘米；中国专利104018118A号研究了Al和Ti共掺的ZnO薄膜，其电阻率约为5欧姆·厘米。但是在目前的研究当中，施主元素在ZnO中的固溶度极低，掺杂元素非常容易形成第二相，难以实现有效掺杂，以掺杂效果是最优的Al为例，Tsubota(T.Tsubota,M.Ohtaki,K.EguchiandH.Arai,J.Meter.Chem.,1997(7):85)报道Al的固溶度只有0.5at％。

因此如何提高施主杂质在ZnO中的固溶度，以获得高电导氧化锌陶瓷，已成为目前研究者关注的热点。中国专利101905972A号报道了，采用放电等离子体烧结技术(SPS)能够将Al在ZnO中的固溶度提高到5at％，得到的Zn1-xAlxO(0≤x≤0.05)陶瓷的电阻率为0.09～1.5Ωm。相对于普通烧结，SPS烧结成本较高，如何提供一种简单有效，成本低廉的方法来获得超低电阻的氧化锌陶瓷材料显得尤为重要。而根据Peng(H.Peng,J.H.Song,E.M.Hopper,Q.Zhu,T.O.Mason,AndA.J.Freeman,Chem.Mater.,2012(24):106)的报道，ZnO中的氧空位能够稳定住进入晶格占据Zn格点的三价施主离子，从而有可能提高施主在晶格中的固溶浓度。

另一方面，对于ZnO多晶材料而言，其电阻主要包括两个部分，晶粒电阻和晶界电阻。晶界处由于大量的缺陷的集聚如悬挂键，空位，其结构和晶粒相比，明显不同。晶粒和晶界的结构差异造成使在晶界附近存在一个肖特基势垒。这样一个势垒能够阻碍电子通过，从而使得晶界电阻远大于晶粒电阻，一般比晶粒电阻高几个数量级。如何有效降低晶界电阻即降低肖特基势垒的高度，对于进一步降低ZnO多晶材料的电阻率显得尤为重要。由于晶界肖特基势垒是由于晶粒和晶界结构差异造成的，如果能够通过结构调整减小晶粒和晶界之间的差异，从而就能够降低晶界肖特基势垒的高度。晶界的特点就是存在大量缺陷，如果能够向晶粒中引入适量的缺陷如氧空位，提高晶粒的无序度，就能降低晶粒和晶界的结构差异。

发明内容

本发明提出一种低电阻氧化锌陶瓷材料，该陶瓷材料提高了Al的固溶度并降低晶粒和晶界的结构差异，从而显著地降低了陶瓷的电阻率。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种低电阻氧化锌陶瓷材料，按照重量份数计算，包括以下原料：

氧化锌90～94份、氧化铝0.3～0.9份、硫化锌2～5份、氧化钇0.1～0.4份、二氧化钛1～2份、氧化铁0.1～0.4份及二氧化硅1～2份。