专利汇可以提供陶瓷的制备方法、由此制得的陶瓷及其尤其是作为溅射靶的用途专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 提供了由具有较高熔点的粉末形式的无机基体材料制备陶瓷的方法,该方法包括将该无机基体材料粉末与一个第二无机组分进行混合的步骤,该第二无机组分也是粉末形式并作为该无机基体材料的 掺杂剂 。该掺杂剂由对所述无机基体材料具有掺杂效果的单独一种无机材料、或由至少两种无机材料的混合物组成。所述方法包括在高温下进行的一个 烧结 步骤。所获得的陶瓷因其高 密度 而可有利地用作靶元件。由这些陶瓷制得的 薄膜 和 电极 具有特别有利的性质。,下面是陶瓷的制备方法、由此制得的陶瓷及其尤其是作为溅射靶的用途专利的具体信息内容。
1.由一种粉末形式的无机基体材料制备陶瓷的一种方法(所述粉末具有 一种粒径,其特征为在10纳米与50微米之间的d50,更优选为在20纳米与30 微米之间的d50),所述粉末具有一个高熔点,它优选高于300℃,所述方法包括:
- 一个混合步骤,将(优选为粉状形式的)该无机基体材料粉末与也是 处于粉末形式的一种第二无机组分进行混合,该第二无机组分是作为该无机基体 材料的一种掺杂剂,所述掺杂剂是由对该无机基体材料具有一种掺杂效果的一种 单独的无机材料或至少两种无机材料的一个混合物组成;以及
- 一个烧结步骤,所述烧结步骤在一个高温下进行,所述高温优选为高 于800℃,更优选为高于1000℃;
所述方法的特征在于:在制备所述粉末的混合物的过程中,施加在该粉末上 的力是小于或等于5kg/m2,优选小于1kg/m2。
2.如权利要求1所述的方法,其中,所形成的该陶瓷是由下述式(I)、 式(II)或式(III)之一或这些通式的混合来表示,这些通式表示烧结后的经掺杂 的材料,其中阴离子空位用符号□表示:
(I)Eα-x′kJx′mOβ-x′(K-m)/22-□x′(k-m)/2,其中EαkOβ2-表示该基体材料,并且其中:
- x′表示取代度,它小于α,优选为大于或等于0.1α,β表示使2β=αk 或β=αk/2的一个实数;
- E是选自元素周期表中的I族到VIII族中的至少一种金属,例如Fe、 Cu、Ca、W、Mo、Ti、Cr、Sn和In,符号k表示根据该通式计算出的E的平均 氧化程度,符号m表示部分取代E的元素J的平均氧化程度,m小于k;
- α、k和β是正数,优选为在1与20之间的正数,使αk-2β=0,m和 x′表示以使x′<α且m
(III)MxqTy-x′nJx′mOz-x′(n-m)/22-□x′(n-m)/2,其中MxqTynOz2-表示该基体材料,并且 其中:
- x′表示取代度,并且它小于式(II)中的x,优选为大于或等于0.1x;
- x′在式(III)中小于y,优选为小于或等于0.1y,M和T表示来自元素 周期表的至少两种不同的金属,例如M为Li、Na、K、Ag、Cu和Ti,T为Ni、 Co、W、Mn、Cr、Fa、V和Ti;
- 对于Mx-x′qJx′mTynOz-x′(q-m)/22-□x′(q-m)/2而言空位水平等于x′(q-m)/2,并且对 于MxqTy-x′nJx′mOz-x′(n-m)/22-□x′(n-m)/2而言空位水平等于x′(n-m)/2;
- x、y、q、n和z是正整数,优选在1与20之间,包括上下限在内, 它们满足等式qx+ny=2z;
- q是M的氧化程度;
- z是一个实数,如所示,它使2z=qx+ny;
- n是T的平均氧化程度;
- m是掺杂剂J的平均氧化程度,其中在式(II)中m小于q,在式(III) 中m小于n;并且
- M和T分别是来自元素周期表的I族到VIII族中的至少一种金属,例 如Fe、Cu、Co、W、Mo、Ti、Cr、Sn和In。
3.如权利要求1或2所述的方法,其中,该无机掺杂剂包含一种或多种 阳离子,该阳离子的氧化程度低于构成该无机基体材料的一种或多种阳离子的氧 化程度。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法,其中,该掺杂剂相对于该无 机基体材料的摩尔比可以是在0.001与0.4之间,优选是在0.01与0.1之间。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法,其中:
- 在一个第一步骤中,将掺杂有至少一种掺杂剂的该无机基体材料的一 个混合物以粉末形式置于一个容器中,该容器能耐受高于1100℃、优选为能耐 受高于1300℃的温度,所述粉末是未经压实的,或非常轻度压实的、优选在小 于5kg/cm2的压力作用下、更优选为在小于1kg/cm2的压力作用下;并且
- 在一个第二烧结和/或退火的步骤中,使在前一步骤中准备的容器达到低 于该靶元件的构成材料的熔点的高温中,该温度优选为高于800℃且低于 1700℃,并维持一段时间,该时间优选为在1小时与100小时之间,更优选约为 12小时,这是在环境气氛中进行,并且更优选是在一种惰性气氛中进行,所述 惰性气氛有利的是由氩气组成。
6.如权利要求5所述的方法,其中,该容器由耐受高温、优选为高达 1600℃的高温的一个坩埚或模具构成,所述坩埚或模具优选为由氧化铝构成。
7.如权利要求6所述的方法,其中,所述烧结形成足够致密的陶瓷,从 而能够用作溅射用的一种靶或靶元件。
8.如权利要求1至7中任一项所述的方法,其中,该无机基体材料是选 自以下各项组成的组:氧化物,卤氧化物,诸如氯氧化物和/或氟氧化物,和/或 硫氧化物,以及后者的至少两种的混合物。
9.如权利要求8所述的方法,其中,这些氧化物是选自以下各项组成的 组:TiO2;SnO2;In2O3;Li4Ti5O12;MoO3;WO3;Cr2O3;Fe2O3;LixNiO2,其 中x在0.1与2之间,优选等于1;LixCrO2.5,其中x在1与2之间,优选等于1; LiFeO2,以及后者的至少两种的混合物。
10.如权利要求1至9中任一项所述的方法,其中,所述掺杂剂J是来自 周期表的I族到VIII族中的至少一种金属,并且该金属具有一个氧化程度m,它 小于所述基体材料的这些元素/阳离子之一的氧化程度,即:对于EαkOβ2-而言m< k,对于MxqTynOz2-而言m11.如权利要求10所述的方法,其中,该对无机基体材料和在该无机基体 材料中产生空位的掺杂剂是选自以下各项组成的组:
- W6+作为该基体材料的阳离子与选自由Nb5+、Ta5+、V5+、Ti4+、Sn4+、 Mn4+、Mg2+、Zn2+、Ni3+、Ni2+、Cu2+、Co3+、Co2+、Fe3+、Cr3+和Mn3+组成的组 中的至少一种掺杂剂阳离子的组合;
- Mo6+作为该基体材料的阳离子与选自由Nb5+、Ta5+、V5+、Ti4+、Sn4+、 Mn4+、Mg2+、Zn2+、Ni3+、Ni2+、Cu2+、Co3+、Co2+、Fe3+、Cr3+和Mn3+组成的组 中的至少一种掺杂剂阳离子的组合;
- V5+作为该基体材料的阳离子与选自由Ti4+、Sn4+、Mn4+、Ni3+、Co3+、 Fe3+、Cr3+、Mn3+、Zn2+、Mg2+、Ni2+、Cu2+和Co2+组成的组中的至少一种掺杂剂 阳离子的组合;
- Nb5+作为该基体材料的阳离子与选自由Ti4+、Sn4+、Mn4+、Ni3+、Co3+、 Fe3+、Cr3+、Mn3+、Zn2+、Mg2+、Ni2+、Cu2+和Co2+组成的组中的至少一种掺杂剂 阳离子组合;
- Ta5+作为该基体材料的阳离子与选自由Ti4+、Sn4+、Mn4+、Ni3+、Co3+、 Fe3+、Cr3+、Mn3+、Zn2+、Mg2+、Ni2+、Cu2+和Co2+组成的组中的至少一种掺杂剂 阳离子的组合;
- Mn3+作为该基体材料的阳离子与选自由Zn2+、Mg2+、Cu2+、Co2+、Mn2+ 和Fe2+组成的组中的至少一种掺杂剂阳离子的组合;
- Co3+作为该基体材料的阳离子与选自由Zn2+、Mg2+、Cu2+、Co2+、Mn2+ 和Fe2+组成的组中的至少一种掺杂剂阳离子的组合;
- In3+作为该基体材料的阳离子与选自由Zn2+、Mg2+、Sn4+、Cu2+、Co2+、 Mn2+和Fe2+组成的组中的至少一种掺杂剂阳离子的组合;
- 该基体材料的选自由Co2+、Fe2+、Zn2+、Mg2+、Cu2+、Ni2+和Mn2+组成 的组中的至少一种阳离子与Li+阳离子的组合;以及
- 前面所列的无机基体材料与前面所列的相容的掺杂剂相组合的所有混 合物。
12.如权利要求1至11中任一项所述的方法,所述方法用于制备表面积大 于4cm2,优选为在5cm2与1000cm2之间的陶瓷。
13.如权利要求1至12中任一项所述的方法,其中,这些粉末的混合,优 选In2O3、SnO2和ZnO的混合,是在一种有机的或水性的溶剂或至少一种有机溶 剂与一种水性溶剂的混合物的存在下进行的。
14.如权利要求13所述的方法,其中,该有机溶剂是选自由醇类、酮类、 醚类、以及后者的至少两种的混合物组成的组。
15.如权利要求14所述的方法,其中,该溶剂是一种醚,它选自醚、乙醇、 丙酮、以及后者的至少两种的混合物。
16.如权利要求13所述的方法,其中,该溶剂是基于蒸馏水和/或去离子水 的水性类型。
17.如权利要求13至16中任一项所述的方法,其中,用于进行陶瓷粉末 混合的有机溶剂的量对于每千克的粉末混合物是在5ml与5L(升)之间,优选在 800ml与1200ml之间。
18.如权利要求17所述的方法,其中,将50ml乙醇与0.05kg的In2O3、SnO2 和ZnO的一个混合物进行混合。
19.如权利要求1所述的方法,其中,在所述方法中获得的陶瓷的电阻率 通过控制用作所述无机基体材料的粉末混合物中存在的掺杂剂的水平来进行调 节,所述掺杂剂是如权利要求11中单独定义或者以组合方式定义;优选的是对 于选自由Zn2+、Mg2+、Cu2+、Co2+、Mn2+和Fe2+组成的组中的掺杂剂无机基体材 料中的至少一种的对应的高值或低值而言,所获得的陶瓷具有对应的低或高的电 阻率,更优选的是所述无机基体材料为Zn2+;优选的是,对于如权利要求11中 单独定义或者以组合方式定义的掺杂剂无机基体材料中的至少一种的含量为标 称最小值10mol%,获得了所述陶瓷的最小电阻率约1.7×10-3Ω.cm,优选的是所 述掺杂剂是选自由Zn2+、Mg2+、Cu2+、Co2+、Mn2+和Fe2+组成的组,更优选它是 Zn2+。
20.如权利要求1所述的方法,其中,在所述方法中获得的陶瓷的电荷迁 移率通过控制用作无机基体材料的粉末混合物中存在的掺杂剂的含量来进行调 节,所述掺杂剂如权利要求11中单独定义或者以组合方式定义;优选的是,该 掺杂剂是选自由Zn2+、Mg2+、Cu2+、Co2+、Mn2+和Fe2+组成的组,更优选该掺杂 剂为Zn2+,并且在Zn2+的情况下当用作无机基体材料的粉末混合物中存在的掺杂 剂的含量增加至10%的值时,该电荷迁移率增加。
21.如权利要求1所述的方法,其中,在所述方法中获得的该电荷迁移率 可以通过控制用作无机基体材料的粉末混合物中的晶粒逾渗来进行调节,所述晶 粒优选为由Zn组成,对应高晶粒逾渗值获得了高电荷迁移率,对于低晶粒逾渗 值获得了低电荷迁移率。
22.如权利要求1至21中任一项所述的方法,其中,所获得的陶瓷是小粒 形式的,优选圆柱形的。
23.通过实施权利要求1至22中任一项所述的方法之一而获得的陶瓷,所 述陶瓷的特征在于它具有至少一种、优选为至少两种、更优选为至少三种、仍然 更有利的是至少四种以下性质:
1)以2400 Source Meter型Keithley装置根据四点法,即四探针测量法, 所测定的大于300西门子/cm的宏观电导率,优选为大于320西门子/cm,并且 仍然更有利的是大于或等于585西门子/cm;
2)改进的根据水银测孔法测定的表观密度,该表观密度优选为大于5 g/cm3,该值是通过常规方法在不添加掺杂剂元素的情况下制得的相应的陶瓷的 密度值,所述常规方法是以约1t/cm2压制粉末然后在1300℃的温度退火,所述 表观密度优选大于或等于6.57g/cm3,并且仍然更优选在6g/cm3与7.1g/cm3之 间;
3)总表面积大于5cm2,优选为大于50cm2,更优选为大于100cm2;
4)改进的晶粒边界不规则性的百分比,晶界不规则性百分比根据高分辨 电子显微镜法测定,该百分比小于通过常规方法在不添加掺杂剂元素的情况下制 备的相应的陶瓷的晶界不规则性的百分比的30%,优选为小于10%;和
5)通过高分辨扫描电子显微镜法测定的存在于该陶瓷中的孔隙尺寸是在 0.1微米与0.8微米之间。
24.如权利要求23所述的陶瓷,其特征为根据X-射线衍射法测定的非常 高的结晶性,它优选对应于在100nm与200nm之间的微晶尺寸,更优选为相当 于约156nm的微晶尺寸。
25.如权利要求23所述的陶瓷,其特征为一种方铁锰矿类型的晶体结构, 也称作c-型稀土氧化物结构。
26.如权利要求23至25中任一项所述的陶瓷,其特征为相对于ITO-型陶 瓷的改进的电学性质。
27.如权利要求26所述的陶瓷,具有一种电导率,它根据四点法测定并作 为从4.2K至环境温度变化的温度的一个函数,是在每厘米200西门子与10000 西门子之间,优选为在300与5000西门子之间,更优选约580西门子。
28.如权利要求23至27中任一项所述的陶瓷,其特征为相对于所述ITO- 型陶瓷的电学性质的至少一种改进的电学性质。
29.如权利要求25至28中任一项所述的陶瓷,具有一种改进的电荷迁移 率,它是在0.01cm2/V·s-1与300cm2/V·s-1之间,优选为在0.1cm2/V·s-1与50 cm2/V·s-1之间,所述电荷迁移率根据塞贝克效应法测定。
30.如权利要求23至29中任一项所述的陶瓷,其特征为大于10.1cm2/V·s-1 的电荷迁移率。
31.如权利要求23至30中任一项所述的陶瓷,该陶瓷由含82.23mol%的 式In2O3的无机基体材料和8.66mol%的掺杂剂SnO2和9.11mol%的掺杂剂ZnO 的混合物制得,该后一掺杂剂ZnO提供致密化作用,其特征在于:
- 电导率在300西门子/cm与500西门子/cm之间,优选为约330西门子 /cm;
- 密度在6g/cm3至7.1g/cm3之间,优选为约6.57g/cm3;
- 总表面积为在1cm2与1000cm2之间;和
- 不规则性的百分比在5%与20%之间,并优选小于10%。
32.如权利要求31所述的陶瓷,具有电导率大于理论电导率的70%,优选 在80%与100%之间,并且更有利的是大于90%,所述陶瓷包括在3mol%与 15mol%之间的SnO2和ZnO,其中ZnO的百分比大于或等于SnO2的百分比,优 选ZnO的百分比大于SnO2的百分比。
33.由权利要求1至22中任一项所定义的方法之一所获得的陶瓷之一或者 权利要求23至32中任一项所定义的陶瓷之一作为用于射频溅射或直流溅射的靶 的用途。
34.一种方法,所述方法通过对实施权利要求1至22中任一项所定义的方 法所获得的陶瓷或者如权利要求23至32中任一项所定义的陶瓷进行溅射而制备 一种透明的并且导电的金属膜。
35.如权利要求34所述的方法,其中,该溅射是在25℃与500℃之间的 温度条件下进行,优选在环境温度下进行。
36.如权利要求34或35所述的方法,其中,所述溅射的持续时间是在1 分钟与10小时之间,优选约1小时。
37.如权利要求34至36中任一项所述的方法,其中,该溅射是在主要由 稀有气体组成的气氛中进行,优选在由99.8%的氩气和0.2%的氧气组成的气氛中 进行。
38.如权利要求34至37中任一项所述的方法,其中,该溅射的功率密度 是在0.1瓦特/cm2与15瓦特/cm2之间,优选约0.5瓦特/cm2。
39.如权利要求34至38中任一项所述的方法,其中,该陶瓷靶与在上面 沉积有薄膜的基片之间的距离是在3cm与15cm之间,优选约7cm。
40.通过实施如权利要求34至38中任一项所述的方法所获得的一种透明 的膜或电极。
41.如权利要求40所述的膜或电极,具有根据在UV/可见光/近红外光区中 膜的透射光谱法测定的透射系数,它在可见光范围内是在90%与100%之间,优 选大于95%。
42.如权利要求40所述的膜或电极,具有根据四点法测定的电导率,它是 大于或等于1000西门子/cm,优选大于2250西门子/cm。
43.如权利要求40至42中任一项所述的膜或电极,该膜或电极由选自以 下陶瓷的一种靶陶瓷获得,这些陶瓷具有下式:In1.805Sn0.095Zn0.10O3-δ(导电的), 其中δ优选在0.001与0.03之间。
44.如权利要求43所述的膜或陶瓷,该膜或陶瓷由选自以下陶瓷的一种靶 陶瓷获得,这些陶瓷具有下式:In1.805Sn0.095Zn0.10O3-δ(导电的),其中δ等于约 0.005。
45.如权利要求40至42中任一项所述的膜或电极,该膜或电极由选自以 下陶瓷的一种靶陶瓷获得,这些陶瓷具有下式:In1.94Zn0.06O2.97(导电的); Li4Ti4.5Mg0.5O11.5(绝缘的,即电导率低于10-4西门子/cm);Li4Ti4.5Zn0.5O11.5(绝 缘的,即电导率低于10-4西门子/cm)。
46.如权利要求40至42中任一项所述的膜或电极,该膜或电极由选自以 下陶瓷的一种靶陶瓷获得,这些陶瓷具有下式:Li4Ti4.5Ni0.5O11.75(绝缘的,即电 导率低于10-4西门子/cm)。
47.如权利要求40至42中任一项所述的膜或电极,该膜或电极由权利要 求43、45和46所定义的陶瓷中至少两种的一个混合物而获得。
本发明还涉及通过实施本发明的方法所获得的陶瓷和靶元件。这些陶瓷和靶 元件的特征为优异的机械特性,尤其是接近于理论密度的高表观密度。
此外,本发明涉及这些陶瓷和靶元件的用途,尤其是通过实施所述方法而能 够通过从所述靶进行溅射而制备膜作为薄膜,并制备用于电化学装置(微型发电 机、电致变色器件、气体传感器等)的电极。
由此获得的膜和电极,尤其是作为薄膜获得的那些具有特别有利的特性的 膜,也构成本发明的一个方面。
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