[发明专利]导电性钙铝石型化合物块体的制备方法

说明书

导电性钙铝石型化合物块体的制备方法属于半导体材料技术领域。本发明采用放电等离子烧结技术原位反应合成导电型[(Ca_1‑xM_x)₂₄Al₂₈O₆₄]⁴⁺(O^2‑)_2‑y(e^‑)_2y块体材料。[(Ca_1‑xM_x)₂₄Al₂₈O₆₄]⁴⁺(O^2‑)₂进行粉碎、研磨，装入石墨模具中，预压成形，然后加入活性金属粉末，置于放电等离子烧结设备中，反应条件为：活性金属粉末与[(Ca_1‑xM_x)₂₄Al₂₈O₆₄]⁴⁺(O^2‑)₂粉末的质量比为1:2～1:5，烧结温度800～1400℃，反应室真空度不高于10Pa，压力40MPa，反应5～15min。该制备方法可以在10¹⁷～10²¹/cm³范围内调控载流子浓度，从而实现电输运特性的可控，且该方法简单高效，制备周期短，成本低，易于实现工业化应用。

技术领域

本发明属于钙铝石型氧化物半导体材料技术领域，具体涉及到一种利用固相反应-放电等离子烧结(SPS)-制备[(Ca_1-xM_x)₂₄Al₂₈O₆₄]⁴⁺(O^2-)_2-y(e^-)_2y块体材料的方法。

背景技术

[Ca₂₄Al₂₈O₆₄]⁴⁺(O^2-)₂以多孔陶瓷晶体的形式存在，属于钙铝石体系。1915年，由Rankin和Wright利用CaO和Al₂O₃合成，后来Eitel和Bussem确定了其中CaO与Al₂O₃的摩尔比为12:7，一个晶胞中包含两个[Ca₂₄Al₂₈O₆₄]⁴⁺(O^2-)₂分子，包含2分子的晶胞中存在66个氧离子，其中的两个氧离子以游离氧的方式包接于由结晶框架形成的笼体空间中，可采用[Ca₂₄Al₂₈O₆₄]⁴⁺(O^2-)₂的形式表示一个单胞的化学分子式，带正电的[Ca₂₄Al₂₈O₆₄]⁴⁺部分是晶格的主体框架部分，为了保持电中性，2个O^2-自由占据12个笼腔中的任意2个，因为O^2-与带正电荷框架[Ca₂₄Al₂₈O₆₄]⁴⁺结合力较弱，所以可以在笼腔内自由穿梭。相邻的笼子之间依靠笼腔壁上的孔(直径为0.4nm)相连通。自由O^2-就很容易迁移到别处，也很容易被其他负离子(如F^-,Cl^-,OH^-,e^-)取代，生成Ca₂₄Al₂₈O₆₆的各种衍生物。生成的衍生物仍然保留Ca₂₄Al₂₈O₆₆原有的框架结构。当Ca₂₄Al₂₈O₆₆晶体结构中的部分笼腔被电子填充或笼腔内的部分O^2-被电子e^-取代后，笼腔内含有O^2-和电子e^-，即形成了[Ca₂₄Al₂₈O₆₄]⁴⁺(O^2-)_2-y(e^-)_2y(0≤y≤2)，当笼腔中的O^2-被e^-完全取代后形成[Ca₂₄Al₂₈O₆₄]⁴⁺(e^-)₄，具有良好的电子传导特性，而且在400℃以下的大气环境中可以稳定存在，因此，可用作催化剂、光存储器、离子刻蚀、冷阴极电场电子发射、制冷设备等。