纳米ITO粉体的团聚与分散分析

杨扬 傅清波 谢梦

铟锡氧化物（ITO）是一种N型半导体材料，通常包括ITO粉体、ITO靶材以及ITO导电薄膜。目前制备ITO粉体常见的方法有：水热合成法、共沉淀法机械混合法和喷雾热分解法。其中，国内主要以化学沉淀法为主，该方法具备制备成本低、方法简单、易于工业化生产优点，但最大的缺点是易出现纳米颗粒的团聚[1]。粉体发生团聚现象后，易形成较大的团聚体，从而影响其在ITO靶材中的性能应用，所以纳米ITO粉体的团聚已成为ITO靶材制备过程中的研究重点。

1 纳米粉体团聚的分类

在纳米粉体的应用过程中，由于纳米粒子表面的高活性，易发生团聚现象。根据团聚的作用力性质，团聚分为硬团聚和软团聚（图1）[2]。

软团聚一般是指由于纳米粉体颗粒所具有的高活性，在范德华力作用下形成的团聚体。硬团聚是指除范德华力和库仑力之外的化学键、以及液相桥（liquid bridge）或固相桥产生巨大的毛细管力，增强粒子间的相互作用而形成的团聚体。这2种团聚体对比而言，粉体中的软团聚比较容易重新分散，可通过一些化学作用或施加机械能的方法，使其大部分消除。而硬团聚的内部作用力大，颗粒与颗粒之间结合紧密，不易被重新分散，所以纳米粉体的制备过程中应该尽量避免产生硬团聚。

2 团聚形成的原因

粉体是细化的固体，从热力学角度分析，粉体有自发凝集的倾向，而且颗粒越细小，团聚越严重，如图2所示。

纳米颗粒在液体介质中相互作用是非常复杂的，在液体介质中的团聚是吸附和排斥共同作用的结果[3]，颗粒之间存在着范德华引力、液相桥和溶剂化层交叠，同时颗粒的表面还会产生溶剂化膜作用、双电层静电排斥作用、聚合物吸附层的空间保护排斥作用，国内的很多研究学者也对粉体团聚进行了研究。一方面由于纳米颗粒之间的距离极短，颗粒间的范德华力远大于自身的重力，在范德华力的作用下而形成软团聚；颗粒之间分子间力、氢键、静电作用产生的吸附也易产生团聚。另一方面由于粉体达到纳米量级以后，其颗粒表面易造成电荷的聚集，容易发生团聚[4]；而且纳米颗粒具有极高的表面能和较大的接触面，使晶粒生长的速度加快，从而粒子间易发生吸附，从而引起团聚。

3 纳米ITO粉体团聚与分散

3.1 纳米ITO粉体的团聚分析

常见的共沉淀法制备ITO粉多数是在盐酸体系下，先将金属铟溶解，然后加入锡盐制備混合液，选取氨水作为沉淀剂，共沉淀反应制备前驱体，陈化后再经过洗涤、喷雾干燥和煅烧，得到纳米ITO粉体——In2O3∶SnO2=90∶10（质量分数百分比），其简单工艺流程如图3。

液相化学法制备纳米粉体时，在溶液反应、洗涤、干燥、煅烧等方面都会造成不同程度的团聚现象。笔者通过对共沉淀法制备所得的ITO粉体团聚情况进行分析（见图4）。

通过扫描电子显微镜（SEM）图分析得知粒径都为纳米级，粒径在20～70nm。由于其粒度细微、比表面积大和表面能高等因素，使得这些纳米粉体极不稳定，很容易形成尺寸较大的团聚体[5]。采用马尔文激光粒度仪对其粒度测定，详见表1。

根据粒度数据和SEM图判断该ITO粉体粒径实际偏大，通过数据对比分析认为颗粒尺寸增大的主要原因应该是由于纳米粉体中团聚体的出现，从而影响了纳米级材料的性能。所以防止团聚现象的发生，以获得粒度分布窄、化学成分均匀、单分散的粉体，是获得高性能纳米粉体的关键。

3.2 纳米ITO粉体的分散

由于使用纳米ITO粉体制备ITO靶材过程中，粉体的团聚体会导致坯体中存在大量尺寸较大的气孔，而这些大气孔在靶材烧结过程中需要较高的烧结温度和较长的保温时间才能排出，同时团聚体在烧结过程会先致密化，导致团聚体与坯体其他部分分离。所以粉体的团聚会造成ITO靶材的密度偏低，影响ITO膜的性能，在制备ITO靶材前段需要控制好纳米ITO粉体中的团聚。

通常所说的粉体分散是指在液相介质中将粉体颗粒分散并分布均匀，包括3个阶段：首选是在液体中超细粉体颗粒的润湿，其次在机械力作用下把团聚体打散形成独立的原生粒子或较小的团聚体，最后对原生粒子或较小团聚体稳定化，阻止再发生团聚[6]。常见的分散方法有物理分散法和化学分散法。

物理分散法主要有机械搅拌分散、超声分散和高能分散。机械搅拌分散主要是通过外界剪切力或撞击力等机械能，使纳米颗粒在介质中充分分散。超声分散选取合适的超声波在一定时间内对纳米颗粒进行分散处理。高能分散是通过高能粒子作用在纳米颗粒表面产生活性点，增加纳米颗粒的表面活性，进一步促进与其他物质发生化学反应或吸附，属于一种新的分散方法。常见的高能粒子包括电晕、紫外光、微波、等离子体射线等[7]。

化学分散法主要有2种：表面化学修饰和分散剂分散。表面化学修饰是通过分散剂与纳米颗粒表面之间发生化学反应，改变纳米颗粒表面结构和状态，从而达到表面改性的效果[8]。分散剂分散则是通过分散剂的吸附，改变纳米颗粒的表面电荷分布，产生静电稳定和空间位障稳定作用，从而达到纳米粉体分散的效果。

根据粉体的团聚和分散理论知识，本文在未改变粉体的制备条件下，试图通过化学分散和物理分散的复合分散法对共沉淀法制备的纳米ITO粉体进行处理。取800℃煅烧所得的ITO粉10kg，液固比为1∶1，采用2种机械分散组合的方式，并在分散过程中加入一定量的分散剂A，采用马尔文激光粒度仪进行跟踪分析粉体球磨浆料粒度情况，具体数据见表2。

经过粒度分析得知，通过物理分散和化学分散的复合方法，可以将ITO粉体浆料分散得均匀，其粒度分布很窄，呈单峰状。对分散均匀的浆料进行喷雾造粒得到ITO粉体，再进行成型、脱脂和烧结，得到的ITO靶材密度相对密度可达到99.7%以上。

5 结语

随着我国显示面板产业的高速发展，对ITO靶材品质要求也随之提高。而在ITO纳米粉体的制备过程中，更要系统的对粉体的制备过程进行分析研究，制备出粒径小、分布均匀且团聚少、各项性能优异的ITO粉体。本文主要结合团聚的形成机理，分析共沉淀法制备的纳米ITO粉体团聚情况，探讨纳米ITO使用过程中消除团聚的方法。在制备过程中，影响粉体团聚的因素很多，如反应体系的pH值、洗涤方式、干燥方式及煅烧温度等，各阶段都要采用适当的方法避免或减少团聚的产生。在使用过程中，采用化学分散和物理分散的复合分散法，通过机械的方法破坏其团聚体，然后通过调控其分散相与分散介质，可达到较好的分散效果，是一种更为高效的分散方法。

参考文献

[1] 刘志强，李小斌，彭志宏，等.湿化学法制备超细粉末过程中的团聚机理及消除方法[J].化学通报，1999，62（7）：54—57.

[2] 杨金龙，吴建光.陶瓷粉末颗粒测试，表征及分散[J].硅酸盐通报，1995（5）：67—77.

[3] 杨继华，张景林.纳米微晶长大团聚的理论研究[J].材料导报，2009，23（1）.

[4] 蔡晓兰，彭刚，胡翠.铟锡氧化物纳米粉体的制备方法及分散的研究进展[J].粉末冶金技术，2014，32（4）.

[5] 崔洪梅，刘宏，王继扬，等.纳米粉体的团聚与分散[J].机械工程材料，2004，28（8）：38-41.

[6] 李凤生，崔平，杨毅，等.微纳米粉体后处理技术及应用[M].北京：国防工业出版社，2005.

[7] 徐国财，张立德.纳米复合材料[M].北京：化学工业出版社，2000.

[8] 郑水林.粉体表面改性[M].北京：建材工业出版社，1995.