黃海亮，劉艷鳳，于海東

不同混料工藝對(duì)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(xué)院 物理與電子工程學(xué)院 新型碳基功能與超硬材料黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(duì)于高溫高壓條件下制備MgZnO陶瓷的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以干法混合原料制備的MgZnO陶瓷樣品中，出現(xiàn)了分相現(xiàn)象，主要成分是ZnO和MgZnO，這一結(jié)果說(shuō)明干法混合不利于MgZnO固溶體的制備。以濕法混合的原料，經(jīng)過(guò)高溫高壓后制備的MgZnO陶瓷樣品實(shí)現(xiàn)了完全固溶，具有單一面心立方結(jié)構(gòu)，說(shuō)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(cè)器

1 引言

近年來(lái)深紫外波段（日盲區(qū)，280～220 nm）探測(cè)器研制已在世界發(fā)達(dá)國(guó)家相繼開(kāi)始，通過(guò)探測(cè)導(dǎo)彈、火箭尾煙的熱輻射和熒光輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)紫外告警研究取得重大進(jìn)展[1-6]。MgxZn1-xO作為一種寬帶Ⅱ-Ⅵ族三元化合物半導(dǎo)體材料，由OHTOMO等[7]人在1998年報(bào)道首次制備成功以來(lái)，隨著MgxZn1-xO陶瓷在紫外探測(cè)器等方面的應(yīng)用，目前已經(jīng)成為人們廣泛研究的熱點(diǎn)。但現(xiàn)有的制備MgxZn1-xO陶瓷的方法存在的一個(gè)共同問(wèn)題，即MgZnO材料隨Mg組分的增加容易發(fā)生相分離，即導(dǎo)致MgZnO生長(zhǎng)成六方和立方的混合相，即MgZnO出現(xiàn)相分離。本文通過(guò)高壓調(diào)節(jié)提高M(jìn)gO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(diǎn)研究了不同混料方式對(duì)高溫高壓條件下制備單一相MgZnO陶瓷的影響。

2 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用的ZnO粉體和MgO粉體純度均為99.99%，按照原子比1∶1進(jìn)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(jìn)行混合，將混合后的樣品再進(jìn)行預(yù)壓成塊，在高溫高壓條件下進(jìn)行燒結(jié)，制備MgZnO陶瓷，具體過(guò)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(yù)壓成合成樣品，并經(jīng)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(jié)時(shí)間為15 min，制得的樣品標(biāo)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(yù)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(jié)時(shí)間為15 min，制得的樣品標(biāo)記為樣品b。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

MgO顆粒與ZnO顆粒在混合過(guò)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(guān)鍵。針對(duì)以上兩種混料工藝制得的樣品，分別使用光學(xué)顯微鏡、X射線衍射（XRD）譜以及紫外吸收譜進(jìn)行了表征。

圖1為樣品a和b的光學(xué)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(jié)的MgZnO樣品a的光學(xué)顯微照片。從圖1中可以看出，樣品內(nèi)部存在白色和淺黃色物質(zhì)，初步可以認(rèn)為樣品中存在兩種不同物質(zhì)。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(jié)的MgZnO樣品b的光學(xué)顯微照片，與樣品a的光學(xué)照片對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，樣品b結(jié)合緊密、質(zhì)地均勻，它們無(wú)論從顏色和晶態(tài)上都與樣品a有較大的差別。

為確定樣品中所含物質(zhì)物相組成，對(duì)樣品進(jìn)行了X射線衍射分析。圖2為5.8 GPa和1 800 ℃條件下燒結(jié)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(jié)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(jié)果，表明ZnO和MgO濕法混合物經(jīng)5.8 GPa、1 800 ℃燒結(jié)后完全固溶，具有單一面心立方結(jié)構(gòu)。同時(shí)通過(guò)XRD的衍射數(shù)據(jù)，計(jì)算出了Mg-Zn-O的晶格常數(shù)為0.423 9 nm。這一數(shù)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(xué)照片

圖2 5.8 GPa和1 800 ℃條件下燒結(jié)處理的樣品a、b的XRD譜

對(duì)樣品a與b的紫外吸收測(cè)試結(jié)果分析，結(jié)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(zhì)為六方結(jié)構(gòu)ZnO和MgZnO，白色物質(zhì)可能為立方結(jié)構(gòu)的MgZnO和MgO，這一結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明干法混合不利于MgZnO固溶體的制備。圖3（b）所示曲線的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及吸收系數(shù)與帶隙的關(guān)系，可以確定樣品b的帶邊吸收中心波長(zhǎng)在270 nm（4.58 eV）附近，吸收邊在300 nm（4.1 eV）附近，符合人們對(duì)于深紫外探測(cè)器的要求。

4 結(jié)論

以兩種不同混料方式制得的MgO與ZnO混合物為原料，進(jìn)行高溫高壓燒結(jié)，并對(duì)得到的樣品進(jìn)行分析，認(rèn)為干法混合不利于MgO與ZnO均勻混合，制得的樣品出現(xiàn)了分相的現(xiàn)象，而濕法混合制得樣品中為單一立方相的MgZnO陶瓷，并且?guī)н呂罩行牟ㄩL(zhǎng)在70 nm（4.58 eV）附近，吸收邊在300 nm（4.1 eV）附近，符合對(duì)深紫外探測(cè)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(zhì)［J］.發(fā)光學(xué)報(bào)，2019，40（8）：956-960.

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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(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（編號(hào)：12521577）；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：201910233027）

黃海亮。

〔編輯：王霞〕