X射線衍射法分析摻錫氧化銦粉中的物相成分

黃誓成，陸映東，李鳳，黃肇敏，林葵

（1.廣西晶聯(lián)光電材料有限責(zé)任公司，廣西 柳州545006；2.廣西壯族自治區(qū)冶金產(chǎn)品質(zhì)量檢驗站，廣西 南寧 530023；3.廣西壯族自治區(qū)分析測試研究中心，廣西 南寧 530022）

摻錫氧化銦粉又稱氧化銦錫粉，簡稱ITO粉，是制造ITO靶材的前驅(qū)物，全世界約70%以上的銦用于生產(chǎn)此材料，進而制造ITO靶材。ITO靶材主要用于制作液晶顯示器、平板顯示器、等離子顯示器、觸摸屏、電子紙、有機發(fā)光二極管、太陽能電池、抗靜電鍍膜以及 EMI 屏蔽的透明傳導(dǎo)鍍膜等[1-4]。對摻錫氧化銦粉中元素的賦存狀態(tài)、物相組成及含量進行深入研究，是了解各元素在冶金過程的遷移、揭示成分—工藝—微觀結(jié)構(gòu)—性能之間關(guān)系的規(guī)律，選擇性針對處理方式、優(yōu)化工藝條件并提高原料利用效率的前提和依據(jù)。對于ITO靶材的任何應(yīng)用來說，高品質(zhì)的ITO粉體是決定靶材質(zhì)量的關(guān)鍵因素，因此有必要對ITO粉的物相成分進行檢測分析。

X射線衍射物相分析是一種利用X射線在晶體物質(zhì)中的衍射效應(yīng)進行物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析的現(xiàn)代技術(shù)。X射線衍射的應(yīng)用范圍非常廣泛[5-7]，現(xiàn)已滲透到物理、化學(xué)、地球科學(xué)、材料科學(xué)以及各種工程技術(shù)科學(xué)中，成為一種重要的實驗方法和結(jié)構(gòu)分析手段。目前國內(nèi)外關(guān)于摻錫氧化銦粉中的物相成分分析鮮有報道，本文采用X射線衍射法分析ITO粉中的物相成分。項目列入工信部2017年行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制修訂計劃，計劃號2017-0135T-YS，并獲廣西基地和人才專項（桂科AD1729066）資助。

1 試驗儀器

荷蘭帕納科公司X’Pert PRO X射線衍射儀：Cu Kα輻射，X光管管壓40 kV，管流40 mA，發(fā)散狹縫1/4°，散射狹縫1/2°，接收狹縫7.5mm，掃描范圍（2θ）：20°～70°，掃描步長（2θ）0.026°，每步停留時間20.4s。

2 試驗樣品

2.1 試驗樣品

試驗樣品8個，具體如下：1#：In2O3粉；2#：SnO2粉 ；3#：機械混合法制得的ITO粉，90% In2O3+10%SnO2；

4#：化學(xué)共沉淀法制得的ITO粉，90% In2O3+10%SnO2；

5#：機械混合法制得的ITO粉制備的ITO靶材，90%In2O3+10% SnO2；

6#：化學(xué)共沉淀法制得的ITO粉制備的ITO靶材；90% In2O3+10% SnO2；7#：化學(xué)共沉淀法的ITO粉，95% In2O3+5% SnO2；8#：化學(xué)共沉淀法的ITO粉，97% In2O3+3% SnO2；

2.2 測量試片

2.2.1 樣品粒度應(yīng)不大于0.048 mm。

2.2.2 樣品應(yīng)在105℃±5℃烘箱中烘干1h，并置于干燥器中冷卻至室溫備用。

2.2.3 測量試片的制作

向玻璃樣品板中加入適量的樣品，壓實、壓平，使衍射面的樣品表面平整、疏密度相同、且衍射面與樣品面在同一平面。

3 結(jié)果與討論

目前，ITO粉制備方法有共沉淀法、混合法、溶膠-凝膠法、火焰噴霧熱解法、噴霧燃燒法、電解法、氣相-蒸發(fā)法等，其中主要方式為化學(xué)共沉淀法[8]。共沉淀法以金屬銦、酸、錫鹽和氨水為原料，先將金屬銦溶解于稀酸中，調(diào)節(jié)溶液中In3+濃度及pH；錫鹽溶于水中，然后加入銦溶液中。向該溶液中添加氨水溶液，使之產(chǎn)生沉淀。該沉淀經(jīng)過濾、分離、洗滌、干燥、煅燒即可得到粒徑均勻的摻錫氧化銦粉末。工藝流程為：

混合法是將99.99%氧化銦和99.99%二氧化錫研磨混勻而成。

本實驗主要比對研究了共沉淀法的ITO粉、混合法的ITO粉的物相成分。

3.1 ITO粉的物相成分

采用X射線衍射儀試驗分析了1#～6#樣品的物相成分，XRD衍射圖譜見圖1。

圖1 ITO粉的XRD譜圖

3#樣品的譜圖：特征衍射譜峰所對應(yīng)的物相為In2O3和SnO2，說明機械混合法，In2O3和SnO2沒有發(fā)生相變。機械混合法制得的ITO粉體保留了原有的In2O3相和SnO2相。

4#樣品的譜圖：特征衍射譜峰所對應(yīng)的物相為氧化銦錫相（InxSnyOz）和SnO2。但與3#樣品的特征衍射譜峰相互比較，In2O3的特征衍射峰增強，SnO2的特征衍射峰減弱，而3#樣品和4#樣品中的銦錫質(zhì)量比是相同的。由此可知：共沉淀法制得的摻錫氧化銦粉體，Sn摻雜入了In2O3的晶型結(jié)構(gòu)中形成氧化銦錫相（InxSnyOz），并保持In2O3的晶體結(jié)構(gòu)，增強了特征衍射峰。這也符合理論——固溶體一般會保持溶劑物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)[9]，而SnO2相大幅降低減少。

5#、6#樣品的譜圖：兩者特征衍射譜圖一致，譜峰所對應(yīng)的物相均為氧化銦錫相（InxSnyOz），SnO2相的特征衍射峰完全消失。說明兩種方法生產(chǎn)的摻錫氧化銦粉在制備ITO靶材的燒結(jié)過程中，Sn全部摻雜進In2O3的晶型結(jié)構(gòu)中形成單一的物相——氧化銦錫相（InxSnyOz）。無論是機械混合法還是化學(xué)共沉淀法制得的摻錫氧化銦粉，經(jīng)1600℃高溫?zé)Y(jié)后，銦錫形成固溶體，ITO靶材中只存在氧化銦錫相（InxSnyOz）。

3.2 化學(xué)共沉淀法制備不同質(zhì)量比的ITO粉的物相成分

試驗選用了化學(xué)共沉淀法制得的質(zhì)量比分別為：90%In2O3+10% SnO2（4#）、95% In2O3+5% SnO2（7#）和97%In2O3+3% SnO2（8#）共3個樣品進行物相成分分析。3種樣品的XRD特征譜圖見圖2。

圖2 不同質(zhì)量比的ITO粉的XRD圖

從圖2可以看出3種不同質(zhì)量比的樣品中物相成分是一致的，均為氧化銦錫相（InxSnyOz）和SnO2。隨著In2O3含量增加、SnO2含量減少，對應(yīng)譜圖中的氧化銦錫相（InxSnyOz）的特征譜峰強度增強，SnO2的特征譜峰強度減弱。通過Highscore plus 中的全譜擬合來對三種樣品進行定量分析發(fā)現(xiàn)，共沉淀法制得不同質(zhì)量比的摻錫氧化銦粉中，約有60%的Sn摻雜形成氧化銦錫相。錫元素在氧化銦錫相、氧化錫相的配分含量見表1。

表1 不同質(zhì)量比的lTO粉定量分析結(jié)果（%）

4 結(jié)論

（1）混合法制得的摻錫氧化銦粉中的物相為In2O3和SnO2，共沉淀法制備的摻錫氧化銦粉中的物相為氧化銦錫相（InxSnyOz）和少量SnO2。

（2）采用共沉淀法制得的摻錫氧化銦粉，約有60%的Sn摻雜進In2O3的晶型結(jié)構(gòu)中形成氧化銦錫相，其晶型結(jié)構(gòu)與ITO靶材的晶型結(jié)構(gòu)一致。