稀土离子掺杂ito靶材的制备方法
技术领域
1.本发明涉及ito靶材领域，尤其涉及一种稀土离子掺杂ito靶材的制备方法。


背景技术：

2.氧化铟锡靶材（ito）靶材薄膜由于具有高透过率、低阻抗、高耐候性等优良特点，因此被广泛应用于太阳能、液晶显示、触摸屏、半导体显示器件等领域。而ito靶材是磁控溅射制备ito薄膜材料的主要原材料。太阳能电池行业需要的ito靶材薄膜需要具备电阻率较低、载流子迁移率高、透光率较高，膜层均匀性好等特征。可以通过调整氧化铟和氧化锡的比例制备出不同比例的ito靶材，以实现对ito薄膜的性能控制，如方电阻、透过率、载流子浓度、载流子迁移率等。但随着ito靶材中的氧化锡含量不断减少，将靶材烧结致密的难度越来越高，这是因为氧化锡熔点低于氧化铟。可以通过在ito靶材制备中加入稀土氧化物粉体，包括但不仅限于pr2o5、y2o3等，可以有效提高ito靶材薄的载流子迁移率，同时可以提高靶材的致密度，降低开裂率，提高产品的成品率。目前对于ito靶材掺杂稀土离子缺少相应的工艺方法，需要一种稀土离子掺杂ito靶材的制备方法。


技术实现要素：

3.为解决上述问题，本发明提供一种稀土离子掺杂ito靶材的制备方法，通过粉末真空上料-粉末粗磨
‑‑
粉末精磨-粉末纳米级砂磨-浆料配胶-喷雾造粒-混合过筛制得ito靶材的粉末，再进行干压、冷等静压成型-素坯进行车削加工-烧结-机加工-绑定检测，通过添加稀土氧化物粉体，解决了高铟锡比ito靶材致密度不高、容易开裂的问题，提高了薄膜的载流子迁移率，可以更好地应用于太阳能电池行业，解决了背景技术中出现的问题。
4.本发明的目的是提供一种稀土离子掺杂ito靶材的制备方法，步骤一：在预混合罐中加入定量的水，氧化铟和氧化锡粉体按90-97：3-10的质量比进行混合，再加入0.1-1.0wt.%的稀土氧化物粉体，之后倒入真空上料机中进行自动上料；步骤二：上料完成后，开启预混罐搅拌桨，进行粗磨；粗磨完成后，将浆料打到砂磨第一个储料罐，开启精磨砂磨机主机，进行自循环精磨；精磨完成后，将ito浆料使用隔膜泵打到第二个储料罐中，开启纳米级砂磨机进行纳米级砂磨，同时加入分散剂；步骤四：砂磨完成后进行过筛，过筛目数200-400目，将过筛后的浆料转到配胶罐中，加入粘结剂和消泡剂，搅拌2h，搅拌速度400rpm/min；步骤五：搅拌完成后，对ito浆料进行造粒，造好粒的ito粉末进行混合，分级过筛，最终得到一次粒径、和二次粒径的ito粉末；步骤六：将粉体进行成型处理，通过将粉体装入模具中进行干压、冷等静压成型；将成型好的素坯进行车削加工至规定形状；步骤七：将加工好的素坯放入烧结炉进行脱脂、常压烧结得到靶材，之后对靶材进行机加工：切割、磨边、磨内外圆。
5.进一步改进在于：所述步骤七烧结为：（1）以5℃/min的升温速率升温至600℃，保温2-5h，通入氧气流量为8l/min；（2）以1.5℃/min的升温速率升温至1250-1400℃，保温8h，通入氧气流量为12l/min；（3）以0.3℃/min的升温速率升温至1600-1650℃，保温10-20h，通入氧气流量为16l/min；（4）以5℃/min的降温速率降升温至1250-1400℃，通入氧气流量为16l/min；（5）随后停止通氧，自然冷却至室温。
6.进一步改进在于：所述粗磨锆珠直径5-10mm，研磨时间4-20小时，搅拌机速度50-100rpm。
7.进一步改进在于：所述精磨锆珠直径0.8-1.0mm，主机转速1000-1200rpm，供料泵流量1000l/min。
8.进一步改进在于：所述纳米级砂磨的纳米级砂磨机锆珠直径0.05-0.1mm，主机转速1600rpm，供料泵流量500-600l/min。
9.进一步改进在于：将机加工后的靶材进行绑定、质量检测，将质量检测合格的靶材进行磁控溅射镀膜，测试表征薄膜的载流子迁移率。
10.进一步改进在于：对检测合格的靶材进行磁控溅射镀膜，镀膜条件如下：（1）镀膜功率：100w；（2）镀膜压强：0.5pa；（3）镀膜时间：20min。
11.本发明的有益效果：本发明通过添加稀土氧化物粉体，解决了高铟锡比ito靶材致密度不高、容易开裂的问题，提高了薄膜的载流子迁移率，可以更好地应用于太阳能电池行业；本发明通过先粗磨、再精磨、最后纳米级砂磨，这样制得的粉末均匀性高，分散性高，再通过设计烧结工艺，烧结出的靶材密度高，确保大尺寸，高密度，高密度均匀性且无开裂现象；本发明在靶材加工绑定完之后还进行质量检测，将质量检测合格的靶材进行磁控溅射镀膜，来测试表征薄膜的载流子迁移率。
具体实施方式
12.为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
13.实施例1本实施例提供了一种稀土离子掺杂ito靶材的制备方法，步骤如下：s1：将氧化铟和氧化锡粉体按97：3的质量比进行混合，再加入0.5wt.%的稀土氧化物粉体；之后进行粗磨，粗磨锆珠直径7mm，研磨时间10小时，搅拌机速度70rpm；粗磨后自循环精磨，精磨锆珠直径1.0mm，主机转速1100rpm，供料泵流量1000l/min；精磨后进行纳米级砂磨，纳米级砂磨机锆珠直径0.1mm，主机转速1600rpm，供料泵流量550l/min，同时加入分散剂；之后后进行过筛，过筛目数300目，将过筛后的浆料转到配胶罐中，加入粘结剂和消泡剂，搅拌2h，搅拌速度400rpm/min；搅拌完成后，对ito浆料进行造粒，造好粒的ito粉末进行混合，分级过筛，最终得到一次粒径、和二次粒径的ito粉末；得到纳米级re:ito粉体；s2：将s1制备的粉体装入模具，在300mpa压力下进行冷等静压成型，保压30min，得到re:ito素坯；
s3：将s2的素坯进行车削加工，加工至设定尺寸与性状；s4：将s3加工好的素坯放入烧结炉中进行脱脂和常压烧结。烧结工艺如下：一、以5℃/min的升温速率升温至600℃，保温2h，通入氧气流量为8l/min；二、以1.5℃/min的升温速率升温至1250℃，保温8h，通入氧气流量为12l/min；三、以0.3℃/min的升温速率升温至1650℃，保温15h，通入氧气流量为16l/min；四、以5℃/min的降温速率降升温至1250℃，通入氧气流量为16l/min；五、随后停止通氧，自然冷却至室温；制备的97：3的re:ito靶材形状无变化，相对密度达到99.0%；s5：将s4的re:ito靶材绑定在钛管外表面并进行超声波探伤检测；s6：将s5的靶材进行磁控溅射镀膜，镀膜条件如下：镀膜功率：100w；镀膜压强：0.5pa；镀膜时间：20min；将制备的薄膜进行霍尔效应测试，测得载流子迁移率为8.9cm2/(vs)。
14.实施例2本实施例提供了一种稀土离子掺杂ito靶材的制备方法，步骤如下：s1：将氧化铟和氧化锡粉体按95：5的质量比进行混合，再加入0.5wt.%的稀土氧化物粉体，之后进行粗磨，粗磨锆珠直径7mm，研磨时间10小时，搅拌机速度70rpm；粗磨后自循环精磨，精磨锆珠直径1.0mm，主机转速1100rpm，供料泵流量1000l/min；精磨后进行纳米级砂磨，纳米级砂磨机锆珠直径0.1mm，主机转速1600rpm，供料泵流量550l/min，同时加入分散剂；之后后进行过筛，过筛目数300目，将过筛后的浆料转到配胶罐中，加入粘结剂和消泡剂，搅拌2h，搅拌速度400rpm/min；搅拌完成后，对ito浆料进行造粒，造好粒的ito粉末进行混合，分级过筛，最终得到一次粒径、和二次粒径的ito粉末；得到纳米级re:ito粉体；s2：将s1制备的粉体装入模具，在280mpa压力下进行冷等静压成型，保压30min，得到re:ito素坯；s3：将s2的素坯进行车削加工，加工至设定尺寸与性状；s4：将s3加工好的素坯放入烧结炉中进行脱脂和常压烧结。烧结工艺如下：一、以5℃/min的升温速率升温至600℃，保温3h，通入氧气流量为8l/min；二、以1.5℃/min的升温速率升温至1300℃，保温8h，通入氧气流量为12l/min；三、以0.3℃/min的升温速率升温至1630℃，保温13h，通入氧气流量为16l/min；四、以5℃/min的降温速率降升温至1300℃，通入氧气流量为16l/min；五、随后停止通氧，自然冷却至室温；制备的95：5的re:ito靶材形状无变化，相对密度达到99.2%；s5：将s4的re:ito靶材绑定在钛管外表面并进行超声波探伤检测；s6：将s5的靶材进行磁控溅射镀膜，镀膜条件如下：镀膜功率：100w；镀膜压强：0.5pa；镀膜时间：20min；将制备的薄膜进行霍尔效应测试，测得载流子迁移率为5.7cm2/(vs)。
15.实施例3本实施例提供了一种稀土离子掺杂ito靶材的制备方法，步骤如下：s1：将氧化铟和氧化锡粉体按93：7的质量比进行混合，再加入0.5wt.%的稀土氧化物粉体，之后进行粗磨，粗磨锆珠直径7mm，研磨时间10小时，搅拌机速度70rpm；粗磨后自循
环精磨，精磨锆珠直径1.0mm，主机转速1100rpm，供料泵流量1000l/min；精磨后进行纳米级砂磨，纳米级砂磨机锆珠直径0.1mm，主机转速1600rpm，供料泵流量550l/min，同时加入分散剂；之后后进行过筛，过筛目数300目，将过筛后的浆料转到配胶罐中，加入粘结剂和消泡剂，搅拌2h，搅拌速度400rpm/min；搅拌完成后，对ito浆料进行造粒，造好粒的ito粉末进行混合，分级过筛，最终得到一次粒径、和二次粒径的ito粉末；得到纳米级re:ito粉体；s2：将s1制备的粉体装入模具，在250mpa压力下进行冷等静压成型，保压30min，得到re:ito素坯；s3：将s2的素坯进行车削加工，加工至设定尺寸与性状；s4：将s3加工好的素坯放入烧结炉中进行脱脂和常压烧结；烧结工艺如下：（1）以5℃/min的升温速率升温至600℃，保温4h，通入氧气流量为8l/min；（2）以1.5℃/min的升温速率升温至1350℃，保温8h，通入氧气流量为12l/min；（3）以0.3℃/min的升温速率升温至1600℃，保温10h，通入氧气流量为16l/min；（4）以5℃/min的降温速率降升温至1350℃，通入氧气流量为16l/min；（5）随后停止通氧，自然冷却至室温。制备的93：7的re:ito靶材形状无变化，相对密度达到99.4%；s5：将s4的re:ito靶材绑定在钛管外表面并进行超声波探伤检测；s6：将s5的靶材进行磁控溅射镀膜，镀膜条件如下：镀膜功率：100w；镀膜压强：0.5pa；镀膜时间：20min；将制备的薄膜进行霍尔效应测试，测得载流子迁移率为3.3cm2/(vs)。
16.实施例4本实施例提供了一种稀土离子掺杂ito靶材的制备方法，步骤如下：s1：将氧化铟和氧化锡粉体按90：10的质量比进行混合，再加入0.5wt.%的稀土氧化物粉体，之后进行粗磨，粗磨锆珠直径7mm，研磨时间10小时，搅拌机速度70rpm；粗磨后自循环精磨，精磨锆珠直径1.0mm，主机转速1100rpm，供料泵流量1000l/min；精磨后进行纳米级砂磨，纳米级砂磨机锆珠直径0.1mm，主机转速1600rpm，供料泵流量550l/min，同时加入分散剂；之后后进行过筛，过筛目数300目，将过筛后的浆料转到配胶罐中，加入粘结剂和消泡剂，搅拌2h，搅拌速度400rpm/min；搅拌完成后，对ito浆料进行造粒，造好粒的ito粉末进行混合，分级过筛，最终得到一次粒径、和二次粒径的ito粉末；得到纳米级re:ito粉体；s2：将s1制备的粉体装入模具，在230mpa压力下进行冷等静压成型，保压30min，得到re:ito素坯；s3：将s2的素坯进行车削加工，加工至设定尺寸与性状；s4：将s3加工好的素坯放入烧结炉中进行脱脂和常压烧结；烧结工艺如下：一、以5℃/min的升温速率升温至600℃，保温5h，通入氧气流量为8l/min；二、以1.5℃/min的升温速率升温至1400℃，保温8h，通入氧气流量为12l/min；三、以0.3℃/min的升温速率升温至1600℃，保温20h，通入氧气流量为16l/min；四、以5℃/min的降温速率降升温至1400℃，通入氧气流量为16l/min；五、随后停止通氧，自然冷却至室温。制备的90：10的re:ito靶材形状无变化，相对密度达到99.4%；s5：将s4的re:ito靶材绑定在钛管外表面并进行超声波探伤检测；s6：将s5的靶材进行磁控溅射镀膜，镀膜条件如下：镀膜功率：100w；镀膜压强：
0.5pa；镀膜时间：20min；将制备的薄膜进行霍尔效应测试，测得载流子迁移率为1.6cm2/(vs)。
17.对比例1将氧化铟和氧化锡粉体按97：3的质量比进行混合，不加入稀土氧化物粉体，其他步骤与实施例1相同；烧结后的靶材出现开裂或者机加工开裂现象，相对密度98.2%；将靶材切割后，在实施例一同等镀膜工艺下进行镀膜并测试，测得载流子迁移率为0.8cm2/(vs)。
18.对比例2将氧化铟和氧化锡粉体按97：3的质量比进行混合，再加入0.3wt.%的稀土氧化物粉体，其他步骤与实施例一相同；烧结后的靶材出现开裂或者机加工开裂现象，相对密度99.2%。将靶材切割后，在实施例一同等镀膜工艺下进行镀膜并测试，测得载流子迁移率为7.1cm2/(vs)。
19.对比例3将氧化铟和氧化锡粉体按97：3的质量比进行混合，再加入0.8wt.%的稀土氧化物粉体，其他步骤与实施例一相同；烧结后的靶材出现开裂或者机加工开裂现象，相对密度99.5%；将靶材切割后，在实施例一同等镀膜工艺下进行镀膜并测试，测得载流子迁移率为10.3cm2/(vs)。
20.表1 in:sn（wt.%)pr2o5（wt.%)相对密度（%）μ(cm2v-1s-1)实施例490:100.599.08.9实施例393:70.599.25.7实施例295:50.599.43.3实施例197:30.599.41.6对比例197:3098.20.8对比例297:30.399.27.1对比例397:30.899.510.3从表1的结果可以发现，氧化铟含量越多，靶材经过磁控溅射镀膜制备的薄膜薄膜载流子迁移率越大；添加了稀土氧化物制备的97：3的ito靶材无裂纹，且靶材经过磁控溅射的薄膜载流子迁移率也大于不添加稀土氧化物制备。