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《武汉理工大学》 2017年
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AZO基导电陶瓷的场助烧结及其薄膜的脉冲激光沉积

杨爽  
【摘要】:铝掺杂氧化锌(AZO)具有优异的电学、光学、磁学以及敏感性能,作为一种多功能材料,它被广泛应用于电子信息产业和能源技术产业。作为继硅为代表的第一代半导体和砷化镓为代表的第二代半导体之后的第三代宽禁带半导体,其半导体性能被逐步开发并得到越来越多的应用。AZO作为典型的电子导体,其导电性能主要由载流子浓度和Hall迁移率决定。由于ZnO对掺杂元素的固溶度很低,仅调控载流子浓度导电性提升空间有限。因而,Hall迁移率的研究对制备高导电的AZO基陶瓷对多功能、低成本的电子信息产业的发展具有重要意义和应用价值。论文采用真空及氩气气氛,利用场助烧结技术(FAST)制备了高致密的AZO陶瓷,研究了不同烧结环境对AZO陶瓷的致密化及微观结构的影响。进而研究AZO陶瓷的致密度及结构演化过程,并结合ANSYS模拟场助烧结过程中热场与电场的演化,建立场助烧结过程中材料的结构、性能与热场、电场的相互作用关系,揭示了热-电耦合场的作用机制及AZO陶瓷的场助烧结致密化机理。研究结果表明,AZO陶瓷的助烧结致密化分为两个过程:第一过程为样品内部最高温度低于致密化温度,大量孔隙存在,样品导电性差,电流几乎不通过样品,烧结动力来源于石墨模具的热场作用;第二过程为样品内部最高温度高于致密化温度,导电性能提升,电流通过样品,促进热场均匀分布,烧结动力来源于石墨模具及样品的热-电耦合场作用。以此为基础,通过精细设计脉冲电流对AZO陶瓷的作用方式,调控AZO陶瓷的晶粒大小和晶体缺陷,研究了电流对AZO陶瓷晶粒大小及晶体缺陷的影响,以此建立晶粒大小、晶体缺陷对AZO陶瓷的Hall迁移率及导电性能的影响,制备出最低电阻率为6.7×10~(-4)Ω?cm的AZO陶瓷。此外,通过电场辅助热变形制备高度c轴取向的AZO织构陶瓷,并建立织构度与Hall迁移率、电阻率之间的定量关系。织构AZO陶瓷Hall迁移率高达100.3 cm~2·V~(-1)·s~(-1),电阻率仅为4.2×10~(-4)Ω?cm的AZO织构陶瓷,与现有文献报道相比,电阻率降低80%。以石墨烯为导电增强相,制备了石墨烯均匀分散的AZO/石墨烯陶瓷,研究了石墨烯对AZO/石墨烯陶瓷的致密度及导电性能的影响。研究表明,石墨烯的添加能够降低AZO陶瓷的烧结温度,但是石墨烯含量超过0.05wt.%时,由于石墨烯团聚加剧,AZO/石墨烯陶瓷的致密度急剧降低,AZO/石墨烯陶瓷致密度在石墨烯含量为0.025wt.%、烧结温度为1100℃时获得最大值,为99.1%;石墨烯分散在ZnO晶界和ZnO/ZnAl_2O_4/ZnO三角界面处,形成ZnO/石墨烯/ZnO界面结构及ZnO/石墨烯/ZnAl_2O_4界面结构,分散在晶界及界面处的石墨烯降低了载流子在晶界处的散射,从而提高AZO/石墨烯陶瓷的Hall迁移率。此外,石墨烯将孔隙两端的晶粒桥连,形成载流子多通道的网结构,为孔隙处的载流子提供更多的迁移通道。AZO/石墨烯陶瓷获得最高Hall迁移率为130.4cm~2V~(-1)s~(-1),最低电阻率为3.1×10~(-4)Ω?cm。以AZO/石墨烯陶瓷为靶材,采用激光脉冲沉积法制备AZO透明导电薄膜。研究了沉积温度、氧分压及激光能量密度对AZO薄膜的结构与性能的影响,其最低电阻率为3.2×10~(-4)?·cm,最高可见光透过率为91.5%。与AZO靶材制备的薄膜相比,AZO/石墨烯靶材制备的薄膜具有更优的结晶性能、导电性能及可见光透过性能。
【学位授予单位】:武汉理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TQ174.65;TB383.2

【参考文献】
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