不同混料工艺对高温高压条件下制备MgZnO陶瓷的影响＊

黄海亮，刘艳凤，于海东

不同混料工艺对高温高压条件下制备MgZnO陶瓷的影响＊

黄海亮，刘艳凤，于海东

（牡丹江师范学院 物理与电子工程学院 新型碳基功能与超硬材料黑龙江省重点实验室，黑龙江 牡丹江 157011）

采用高纯度MgO和ZnO作为原料，按照原子比1∶1的比例，分别采用干法混合和湿法混合两种不同的混料方式制备MgZnO陶瓷，研究不同的混料方式对于高温高压条件下制备MgZnO陶瓷的影响。实验结果表明，以干法混合原料制备的MgZnO陶瓷样品中，出现了分相现象，主要成分是ZnO和MgZnO，这一结果说明干法混合不利于MgZnO固溶体的制备。以湿法混合的原料，经过高温高压后制备的MgZnO陶瓷样品实现了完全固溶，具有单一面心立方结构，说明湿法混合利于MgO粉末和ZnO粉末的均匀混合，有利于高温高压条件下MgZnO固溶体的制备。

混料工艺；MgZnO陶瓷；湿法混合；探测器

1 引言

近年来深紫外波段（日盲区，280～220 nm）探测器研制已在世界发达国家相继开始，通过探测导弹、火箭尾烟的热辐射和荧光辐射来实现紫外告警研究取得重大进展[1-6]。MgxZn1-xO作为一种宽带Ⅱ-Ⅵ族三元化合物半导体材料，由OHTOMO等[7]人在1998年报道首次制备成功以来，随着MgxZn1-xO陶瓷在紫外探测器等方面的应用，目前已经成为人们广泛研究的热点。但现有的制备MgxZn1-xO陶瓷的方法存在的一个共同问题，即MgZnO材料随Mg组分的增加容易发生相分离，即导致MgZnO生长成六方和立方的混合相，即MgZnO出现相分离。本文通过高压调节提高MgO在ZnO或ZnO在MgO中的固溶度，制备出带隙在日盲波段的单一相MgZnO陶瓷，并重点研究了不同混料方式对高温高压条件下制备单一相MgZnO陶瓷的影响。

2 实验材料和实验方法

实验采用的ZnO粉体和MgO粉体纯度均为99.99%，按照原子比1∶1进行配比，分别采取干法混合和湿法混合两种不同的混合方法进行混合，将混合后的样品再进行预压成块，在高温高压条件下进行烧结，制备MgZnO陶瓷，具体过程如下。

2.1 干法混合原料制备MgZnO

将纯度99.99%的ZnO和MgO按原子比1∶1在玛瑙研钵中研磨2 h，将研磨后的样品在0.5 GPa的条件下预压成合成样品，并经1 000 ℃焙烧处理，用以除去吸附的水分。将处理后的样品放在合成腔体中，合成压力5.8 GPa，温度为 1 800 ℃，烧结时间为15 min，制得的样品标记为样品a。

2.2 湿法混合原料制备MgZnO

将纯度99.99%的ZnO和MgO按原子比1∶1秤取并放置在烧杯中，加入一定量的丙酮，用磁力搅拌器加热搅拌 2 h，然后将混合物在800 ℃焙烧处理后，在0.5 GPa的条件下预压成合成样品。将样品放在合成腔体中，合成压力为5.8 GPa，温度为1 800 ℃，烧结时间为15 min，制得的样品标记为样品b。

3 实验结果及分析

MgO颗粒与ZnO颗粒在混合过程中的分布均匀性是影响MgZnO陶瓷紫外吸收性能的重要因素，选择合适的混料工艺是使MgO颗粒与ZnO颗粒均匀分布的关键。针对以上两种混料工艺制得的样品，分别使用光学显微镜、X射线衍射（XRD）谱以及紫外吸收谱进行了表征。

图1为样品a和b的光学照片。图1（a）为干法混合的原料，在压力和温度分别为5.8 GPa、1 800 ℃条件烧结的MgZnO样品a的光学显微照片。从图1中可以看出，样品内部存在白色和浅黄色物质，初步可以认为样品中存在两种不同物质。图1（b）为以湿法混合的原料，在压力和温度分别为5.8 GPa、1 800 ℃条件烧结的MgZnO样品b的光学显微照片，与样品a的光学照片对比不难发现，样品b结合紧密、质地均匀，它们无论从颜色和晶态上都与样品a有较大的差别。

为确定样品中所含物质物相组成，对样品进行了X射线衍射分析。图2为5.8 GPa和1 800 ℃条件下烧结处理的样品a、b的XRD谱。图2（a）为样品a的XRD衍射谱，分析表明ZnO和MgO混合物将不能完全固溶。结果表明，干法混料不能够使原料非常均匀地混合，不利于在高温高压下制备MgZnO陶瓷。图2（b）所示的是样品a的XRD结果，表明ZnO和MgO湿法混合物经5.8 GPa、1 800 ℃烧结后完全固溶，具有单一面心立方结构。同时通过XRD的衍射数据，计算出了Mg-Zn-O的晶格常数为0.423 9 nm。这一数值小于立方ZnO的0.428 0 nm，大于立方MgO的0.420 0 nm。

图1 样品a和b的光学照片

图2 5.8 GPa和1 800 ℃条件下烧结处理的样品a、b的XRD谱

对样品a与b的紫外吸收测试结果分析，结果如图3所示，样品a中含有ZnO和MgZnO吸收峰。由上可知，浅黄色物质为六方结构ZnO和MgZnO，白色物质可能为立方结构的MgZnO和MgO，这一结果进一步说明干法混合不利于MgZnO固溶体的制备。图3（b）所示曲线的实验数据以及吸收系数与带隙的关系，可以确定样品b的带边吸收中心波长在270 nm（4.58 eV）附近，吸收边在300 nm（4.1 eV）附近，符合人们对于深紫外探测器的要求。

4 结论

以两种不同混料方式制得的MgO与ZnO混合物为原料，进行高温高压烧结，并对得到的样品进行分析，认为干法混合不利于MgO与ZnO均匀混合，制得的样品出现了分相的现象，而湿法混合制得样品中为单一立方相的MgZnO陶瓷，并且带边吸收中心波长在70 nm（4.58 eV）附近，吸收边在300 nm（4.1 eV）附近，符合对深紫外探测器的要求。

图3 样品a、b的室温紫外吸收谱

［1］赵鹏程，张振中，姚斌，等.N掺杂MgZnO薄膜的光电性质［J］.发光学报，2019，40（8）：956-960.

［2］沈瑞.基于MgZnO/ZnO紫外波段DFB半导体激光器的结构设计与性能优化研究［D］.南京：南京邮电大学，2018.

［3］李凯.高信噪比MgZnO紫外光探测器的制备及其紫外光响应特性研究［D］.深圳：深圳大学，2018.

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［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

黑龙江省教育厅科学技术研究项目（编号：12521577）；大学生创新创业训练计划项目（编号：201910233027）

黄海亮。

〔编辑：王霞〕