一种高纯β氧化镓纳米微球及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高纯β氧化镓纳米微球及其制备方法，属于半导体材料制备技术领域。

背景技术

氧化镓(Ga

近年来，IGZO(氧化铟镓锌)在TFT-LCD显示器领域的应用，使得晶体管数量减少，提高了每个像素的透光率，使得显示器具有更高的能效水平，且效率更高。目前，射频/直流电(RF/DC)溅镀系统是主流的薄膜生长设备，影响溅镀透明导电薄膜品质的因素除了薄膜沉积工艺外，靶材的密度、导电性、晶粒大小、微结构与纯度起着至关重要的作用。例如靶材的密度低，即靶材表面或内部有微孔，镀膜过程会在靶材表面出现凸起，引起靶材局部能量过高，氧离子被撞击成游离态，形成高电阻区域，导致一些微颗粒进入薄膜中，降低薄膜品质，因此影响镀膜制成的稳定性。

目前，商业市场销售的IGZO溅射靶材主要以固相反应热压烧结，做法是将In

中国专利申请CN107010654B公开了一种单分散氧化镓粉末粉体及其高密度陶瓷靶材的制备方法。该发明使用99.99％以上的金属镓溶解于酸中，然后加入氨水沉淀、老化得到白色沉淀物，再经洗涤、过滤、干燥、煅烧等工序得到产物。但该方法煅烧温度高，所得产物微观颗粒易结团，产品均匀性降低。

中国专利申请CN106744730A公开了以金属镓为原料两步法制备氧化镓、氮化镓纳米粉体，采用金属Ga与水按质量比1∶2～10的比例在180-280℃下、于高压反应釜中反应得到羟基氧化镓，然后在400℃-800℃温度下空气中加热分解羟基氧化镓可得粒径为10-20nm的氧化镓纳米粉体。

然而上述现有技术所制得的均不是球形的纳米级氧化镓颗粒，所得到的氧化镓颗粒也无法满足流动性和分散性的要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的第一个目的在于提供一种高纯β氧化镓纳米微球的制备方法。

本发明的第二个目的在于提供上述制备方法所制备的高纯β氧化镓纳米微球。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一种高纯β氧化镓纳米微球的制备方法，将金属Ga与超纯水混合获得混合液进行水热反应获得羟基氧化镓沉淀悬浊液A，调节羟基氧化镓沉淀悬浊液A的固液比，获得羟基氧化镓沉淀悬浊液B，将羟基氧化镓沉淀悬浊液B在不断搅拌下输送至雾化喷嘴中，由雾化气介质雾化为液滴，液滴经等离子体球化即得。

本发明所提供的制备方法，先将金属Ga与超纯水经水热反应获得羟基氧化镓沉淀悬浊液A，调节固液比后，进行雾化，通过雾化获得小液滴，送入等离子焰流进行高温喷雾热解，悬浊液滴的水分在超高温高速环境下能迅速挥发，羟基氧化镓在高温下经热解成为β氧化镓，并在等离子体高温作用下表面发生熔化，由于表面张力的作用形成球状液滴，冷却后形成球状微粉。

优选的方案，所述金属Ga的纯度≥5N。

优选的方案，所述超纯水的电阻率不低于18MΩ.cm(25℃)。

在本发明中，要获得5N以上的β氧化镓纳米微球，首先要保证原料金属镓的纯度不低于5N和纯水的电阻率不低于18MΩ.cm(25℃)。

优选的方案，所述金属Ga与超纯水的质量比为1∶2～10。

优选的方案，所述水热反应的温度为180-280℃，水热反应的时间为5-8h。

在实际操作过程中，将金属Ga与超纯水混合后置于高压反应釜中进行反应。

优选的方案，所述羟基氧化镓沉淀悬浊液B中，羟基氧化镓沉淀与水的质量比为10～15∶90～85。

发明人发现，将羟基氧化镓沉淀悬浊液B中，羟基氧化镓沉淀与水的固液质量比控制在上述范围内，是至关重要的，若是液相过多导致球化效率低，制备量少；液相过少会导致球化比例低，有部分羟基氧化镓转变成β--Ga

在实际操作过程中，将羟基氧化镓沉淀悬浊液B在不断搅拌的同时用直流泵输送到雾化喷嘴。

优选的方案，所述雾化气介质选自纯度≥5N的氩气。

优选的方案，所述雾化气介质的压力为1.6-2.2MPa。

发明人发现，将雾化气介质的压力控制在上述范围内，最终球化率最高，若雾化压力小，羟基氧化镓悬浊液雾化不充分，压力过大对等离子火焰稳定有影响，而稳定直流等离子体火焰，才能确保雾化后的羟基氧化镓分解球化稳定，因此雾化气介质的压力过大过小，都会影响到最终的球化效果。

优选的方案，所述雾化气介质的流量为0.5L/min～2.5L/min。

优选的方案，所述等离子体球化时，等离子体的功率9.75KW～12.8KW。

发明人发现，将等离子体球化的功率控制在上述范围内，球化率高，分散性好，若功率过低羟基氧化镓球化率低，功率过高可能会导致羟基氧化镓转变为β氧化镓熔融团聚。

本发明还提供上述制备方法所制备的一种高纯β氧化镓纳米微球。

所述高纯β氧化镓纳米微球的纯度≥5N，所述高纯β氧化镓纳米微球的粒径为100～500nm。

原理与优势

本发明提供了一种高纯β氧化镓纳米微球的制备方法，先将金属Ga与超纯水经水热反应获得羟基氧化镓沉淀悬浊液A，调节固液比后，进行雾化，通过雾化获得小液滴，送入等离子焰流进行高温喷雾热解，悬浊液滴的水分在超高温高速环境下能迅速挥发，羟基氧化镓经在高温下经热解成为β氧化镓，并在等离子体高温作用下表面发生熔化，由于表面张力的作用形成球状液滴，冷却后形成球状微粉，本发明所提供的制备方法所制得的高纯β氧化镓纳米微球纯度≥5N，粒径分布窄，球形度高，具有优异的流动性和分散性。

本发明提供一种新的高纯氧化镓纳米微球的制备方法，可以克服目前工艺制备的氧化镓存在晶粒粒度大且工艺复杂、过程不易控制的缺陷。工艺简单，利于工业化生产。

附图说明

图1为实施例1所得高纯β氧化镓球形微粉扫描电镜照片。

图2为实施例2所得高纯β氧化镓球形微粉扫描电镜照片。

图3为对比例1所得高纯β氧化镓球形微粉扫描电镜照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明及其具体实施方式作进一步详细说明。

本发明的特征在于以下步骤：

A、采用5N金属Ga与电阻率不低于18MΩ.cm(25℃)的超纯水按质量比1∶2-10的比例在180-280℃下、于高压反应釜中反应得到羟基氧化镓沉淀悬浊液。

B、调整步骤A得到的羟基氧化镓沉淀悬浊液中质量比例在10～15∶90～85之间，不断搅拌的同时用直流泵输送到雾化喷嘴中，用压力为1.6-2.2MPa，流量为0.5L/min～2.5L/min5N氩气将其雾化，形成粒径尽可能微小的液滴。

C、将步骤B得到的雾化后所得的液滴送入等离子焰流，进行高温喷雾热解，控制等离子体的功率9.75KW～12.8KW，悬浊液滴的水分在超高温高速环境下能迅速挥发，羟基氧化镓热解为氧化镓，并在等离子体高温作用下表面发生熔化，由于表面张力的作用形成球状液滴，冷却后形成球状微粉。

所述的羟基氧化镓沉淀悬浊液原料为5N金属镓和电阻率不低于18MΩ.cm(25℃)的超纯水。

以下给出本发明的实施例：

实施例1

以10克金属镓和50g水在高压反应釜中反应，反应温度为250℃，反应时间为5小时，于高压反应釜中反应得到羟基氧化镓沉淀悬浊液。调整羟基氧化镓沉淀悬浊液中固液质量比例在10∶90，不断搅拌的同时用直流泵输送到雾化喷嘴中，用压力为1.6MPa的5N氩气将其雾化，形成粒径尽可能微小的液滴。将雾化后所得的液滴送入功率为9.75KW等离子焰流进行高温喷雾热解，冷却后形成球状氧化镓微粉。图1为实施例1所得高纯β氧化镓球形微粉扫描电镜照片，从中可以发现球形率较高，粒径D50为220nm，纯度≥99.999％。杂质含量检测结果如表1所示。

实施例2

以20克金属镓和150g水在高压反应釜中反应，反应温度为250℃，反应时间为5小时，于高压反应釜中反应得到羟基氧化镓沉淀悬浊液。调整羟基氧化镓沉淀悬浊液中固液质量比例在15∶85，不断搅拌的同时用直流泵输送到雾化喷嘴中，用压力为2.2MPa的5N氩气将其雾化，形成粒径尽可能微小的液滴。将雾化后所得的液滴送入功率为12.8KW等离子焰流进行高温喷雾热解，冷却后形成球状氧化镓微粉。图2为实施例2所得高纯β氧化镓球形微粉扫描电镜照片，粒径D50为490nm，纯度≥99.999％。杂质含量检测结果如表1所示。

对比例1

其他条件与实施例2一致，用压力为1.8MPa的5N氩气将其雾化，形成粒径尽可能微小的液滴。将雾化后所得的液滴送入功率为19.5KW等离子焰流进行高温喷雾热解，冷却后形成团聚成大颗粒球状氧化镓微粉。图3为对比例3的高纯β氧化镓球形微粉扫描电镜照片，从中可以发现因等离子体功率过高，羟基氧化镓转变为β氧化镓后熔融团聚，造成微粉粒度偏大，D50达到35μm。杂质含量检测结果如表1所示。

表1

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