不同混料工藝對高溫高壓條件下制備MgZnO陶瓷的影響＊

黃海亮，劉艷鳳，于海東

不同混料工藝對高溫高壓條件下制備MgZnO陶瓷的影響＊

黃海亮，劉艷鳳，于海東

（牡丹江師范學院 物理與電子工程學院 新型碳基功能與超硬材料黑龍江省重點實驗室，黑龍江 牡丹江 157011）

采用高純度MgO和ZnO作為原料，按照原子比1∶1的比例，分別采用干法混合和濕法混合兩種不同的混料方式制備MgZnO陶瓷，研究不同的混料方式對于高溫高壓條件下制備MgZnO陶瓷的影響。實驗結果表明，以干法混合原料制備的MgZnO陶瓷樣品中，出現了分相現象，主要成分是ZnO和MgZnO，這一結果說明干法混合不利于MgZnO固溶體的制備。以濕法混合的原料，經過高溫高壓后制備的MgZnO陶瓷樣品實現了完全固溶，具有單一面心立方結構，說明濕法混合利于MgO粉末和ZnO粉末的均勻混合，有利于高溫高壓條件下MgZnO固溶體的制備。

混料工藝；MgZnO陶瓷；濕法混合；探測器

1 引言

近年來深紫外波段（日盲區，280～220 nm）探測器研制已在世界發達國家相繼開始，通過探測導彈、火箭尾煙的熱輻射和熒光輻射來實現紫外告警研究取得重大進展[1-6]。MgxZn1-xO作為一種寬帶Ⅱ-Ⅵ族三元化合物半導體材料，由OHTOMO等[7]人在1998年報道首次制備成功以來，隨著MgxZn1-xO陶瓷在紫外探測器等方面的應用，目前已經成為人們廣泛研究的熱點。但現有的制備MgxZn1-xO陶瓷的方法存在的一個共同問題，即MgZnO材料隨Mg組分的增加容易發生相分離，即導致MgZnO生長成六方和立方的混合相，即MgZnO出現相分離。本文通過高壓調節提高MgO在ZnO或ZnO在MgO中的固溶度，制備出帶隙在日盲波段的單一相MgZnO陶瓷，并重點研究了不同混料方式對高溫高壓條件下制備單一相MgZnO陶瓷的影響。

2 實驗材料和實驗方法

實驗采用的ZnO粉體和MgO粉體純度均為99.99%，按照原子比1∶1進行配比，分別采取干法混合和濕法混合兩種不同的混合方法進行混合，將混合后的樣品再進行預壓成塊，在高溫高壓條件下進行燒結，制備MgZnO陶瓷，具體過程如下。

2.1 干法混合原料制備MgZnO

將純度99.99%的ZnO和MgO按原子比1∶1在瑪瑙研缽中研磨2 h，將研磨后的樣品在0.5 GPa的條件下預壓成合成樣品，并經1 000 ℃焙燒處理，用以除去吸附的水分。將處理后的樣品放在合成腔體中，合成壓力5.8 GPa，溫度為 1 800 ℃，燒結時間為15 min，制得的樣品標記為樣品a。

2.2 濕法混合原料制備MgZnO

將純度99.99%的ZnO和MgO按原子比1∶1秤取并放置在燒杯中，加入一定量的丙酮，用磁力攪拌器加熱攪拌 2 h，然后將混合物在800 ℃焙燒處理后，在0.5 GPa的條件下預壓成合成樣品。將樣品放在合成腔體中，合成壓力為5.8 GPa，溫度為1 800 ℃，燒結時間為15 min，制得的樣品標記為樣品b。

3 實驗結果及分析

MgO顆粒與ZnO顆粒在混合過程中的分布均勻性是影響MgZnO陶瓷紫外吸收性能的重要因素，選擇合適的混料工藝是使MgO顆粒與ZnO顆粒均勻分布的關鍵。針對以上兩種混料工藝制得的樣品，分別使用光學顯微鏡、X射線衍射（XRD）譜以及紫外吸收譜進行了表征。

圖1為樣品a和b的光學照片。圖1（a）為干法混合的原料，在壓力和溫度分別為5.8 GPa、1 800 ℃條件燒結的MgZnO樣品a的光學顯微照片。從圖1中可以看出，樣品內部存在白色和淺黃色物質，初步可以認為樣品中存在兩種不同物質。圖1（b）為以濕法混合的原料，在壓力和溫度分別為5.8 GPa、1 800 ℃條件燒結的MgZnO樣品b的光學顯微照片，與樣品a的光學照片對比不難發現，樣品b結合緊密、質地均勻，它們無論從顏色和晶態上都與樣品a有較大的差別。

為確定樣品中所含物質物相組成，對樣品進行了X射線衍射分析。圖2為5.8 GPa和1 800 ℃條件下燒結處理的樣品a、b的XRD譜。圖2（a）為樣品a的XRD衍射譜，分析表明ZnO和MgO混合物將不能完全固溶。結果表明，干法混料不能夠使原料非常均勻地混合，不利于在高溫高壓下制備MgZnO陶瓷。圖2（b）所示的是樣品a的XRD結果，表明ZnO和MgO濕法混合物經5.8 GPa、1 800 ℃燒結后完全固溶，具有單一面心立方結構。同時通過XRD的衍射數據，計算出了Mg-Zn-O的晶格常數為0.423 9 nm。這一數值小于立方ZnO的0.428 0 nm，大于立方MgO的0.420 0 nm。

圖1 樣品a和b的光學照片

圖2 5.8 GPa和1 800 ℃條件下燒結處理的樣品a、b的XRD譜

對樣品a與b的紫外吸收測試結果分析，結果如圖3所示，樣品a中含有ZnO和MgZnO吸收峰。由上可知，淺黃色物質為六方結構ZnO和MgZnO，白色物質可能為立方結構的MgZnO和MgO，這一結果進一步說明干法混合不利于MgZnO固溶體的制備。圖3（b）所示曲線的實驗數據以及吸收系數與帶隙的關系，可以確定樣品b的帶邊吸收中心波長在270 nm（4.58 eV）附近，吸收邊在300 nm（4.1 eV）附近，符合人們對于深紫外探測器的要求。

4 結論

以兩種不同混料方式制得的MgO與ZnO混合物為原料，進行高溫高壓燒結，并對得到的樣品進行分析，認為干法混合不利于MgO與ZnO均勻混合，制得的樣品出現了分相的現象，而濕法混合制得樣品中為單一立方相的MgZnO陶瓷，并且帶邊吸收中心波長在70 nm（4.58 eV）附近，吸收邊在300 nm（4.1 eV）附近，符合對深紫外探測器的要求。

圖3 樣品a、b的室溫紫外吸收譜

［1］趙鵬程，張振中，姚斌，等.N摻雜MgZnO薄膜的光電性質［J］.發光學報，2019，40（8）：956-960.

［2］沈瑞.基于MgZnO/ZnO紫外波段DFB半導體激光器的結構設計與性能優化研究［D］.南京：南京郵電大學，2018.

［3］李凱.高信噪比MgZnO紫外光探測器的制備及其紫外光響應特性研究［D］.深圳：深圳大學，2018.

［4］田龍杰.高性能MgZnO基薄膜晶體管的研制［D］.北京：北京交通大學，2018.

［5］賀鐘冶.MgZnO準三元混晶的制備及其生長工藝的研究［D］.廈門：廈門大學，2017.

［6］羅佳煒.MgZnO：Ga材料制備及其光電性能研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2017.

［7］OHTOMO A，KAWASAKI M，SHIROKI R，et al. MgxZn1?xO as a Ⅱ–Ⅵ widegap semiconductor alloy［J］. Appl.Phys.Lett，1998，72（19）：2466-2468.

TN304.05

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.18.005

2095－6835（2019）18－0012－02

黑龍江省教育廳科學技術研究項目（編號：12521577）；大學生創新創業訓練計劃項目（編號：201910233027）

黃海亮。

〔編輯：王霞〕