本發(fā)明涉及化學(xué)合成，尤其是涉及一種方形氧化鈰復(fù)合材料及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、氧化鈰是一種重要的化學(xué)化合物，屬于稀土金屬氧化物，是鈰的氧化物形式之一。它是一種白色或淡黃色的粉末，廣泛用于多個工業(yè)領(lǐng)域，尤其在半導(dǎo)體、光學(xué)、化學(xué)及化妝品等行業(yè)中占據(jù)了重要位置。氧化鈰具有非常獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，尤其是在催化和拋光應(yīng)用中的優(yōu)異表現(xiàn)，使其在尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

2、方形氧化鈰（也稱立方晶型氧化鈰）具有較為獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能。氧化鈰在常溫下的晶體結(jié)構(gòu)為立方晶系（晶格參數(shù)為5.411?），且其具有相對較強(qiáng)的熱穩(wěn)定性、較高的化學(xué)活性和獨(dú)特的納米特性。傳統(tǒng)的氧化鈰呈現(xiàn)的是無規(guī)形狀的顆粒，或者是呈現(xiàn)一定的長條形、棱柱形等，這些形狀雖然在某些應(yīng)用中有效，但在一些納米尺度加工和超高性能的應(yīng)用中，規(guī)則形狀的氧化鈰尤其是方形氧化鈰具有優(yōu)越的性能。方形氧化鈰顆粒由于其規(guī)則的幾何形狀，能夠更好地均勻分布在涂層或者拋光材料中，在保持較高的拋光效果的同時，減少了材料的浪費(fèi)和不規(guī)則顆粒帶來的加工難度，因此在精密拋光和化學(xué)機(jī)械平坦化（cmp）領(lǐng)域尤為重要。

3、氧化鈰的應(yīng)用范圍十分廣泛，尤其是在半導(dǎo)體cmp（化學(xué)機(jī)械平坦化）、高端光學(xué)拋光以及化妝品等領(lǐng)域。氧化鈰在半導(dǎo)體制造中常用于cmp工藝，這是由于其具有優(yōu)異的化學(xué)活性和相對較軟的特性，能夠高速拋光（平坦化）硅晶圓、ild介質(zhì)層和sti等半導(dǎo)體關(guān)鍵工藝同時具有比較少的缺陷。這種特性使氧化鈰成為一種理想的cmp拋光材料，尤其是在制作14納米以下半導(dǎo)體時，能夠在提升加工效率的同時精細(xì)控制表面質(zhì)量，從而提升產(chǎn)品的可靠性和性能。

4、在高端光學(xué)拋光中，氧化鈰也有廣泛應(yīng)用。高端光學(xué)拋光要求非常高的精度和表面質(zhì)量，以保證最終光學(xué)產(chǎn)品的光學(xué)性能。氧化鈰的拋光效果能夠使得光學(xué)玻璃、光學(xué)鏡片、激光器件等表面達(dá)到高度平坦，減少表面缺陷，從而提升光學(xué)性能。由于其具有較高的光學(xué)透明性和較低的吸光性，氧化鈰成為了高端光學(xué)領(lǐng)域不可缺少的拋光材料。

5、在化妝品領(lǐng)域，氧化鈰的應(yīng)用主要體現(xiàn)在其作為一種化妝品原料，特別是在粉底、潤膚霜以及防曬霜等產(chǎn)品中的應(yīng)用。氧化鈰因其具有較好的抗紫外線特性，能夠有效地保護(hù)皮膚免受紫外線的傷害。此外，氧化鈰的低過敏性和良好的皮膚適應(yīng)性，也使得它在個人護(hù)理產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用。

6、傳統(tǒng)上，氧化鈰的制備方法包括焙燒法、溶膠-凝膠法、沉淀法等。這些方法在工業(yè)生產(chǎn)中都有廣泛應(yīng)用。焙燒法通常涉及將鈰的前驅(qū)體在高溫下加熱，使其發(fā)生氧化反應(yīng)，從而得到氧化鈰。傳統(tǒng)的溶膠-凝膠法則通過將鈰的化合物溶解在溶劑中，然后加入適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)試劑進(jìn)行反應(yīng)得到前驅(qū)體，最終通過干燥和焙燒得到氧化鈰粉末。沉淀法則是在液相中加入過量的沉淀劑，使鈰的前驅(qū)體沉淀出來，然后通過濾紙過濾、干燥和焙燒得到氧化鈰。

7、然而，傳統(tǒng)制備方法在制備高結(jié)晶度的氧化鈰時常常遇到一些挑戰(zhàn)。首先，常規(guī)方法得到的氧化鈰結(jié)晶度較低，主要是因?yàn)樵诟邷叵碌谋簾^程中，氧化鈰顆粒往往過于迅速地增長，導(dǎo)致結(jié)晶度不高。此外，由于沉淀法和溶膠-凝膠法中可能使用了大量的溶劑和化學(xué)試劑，容易導(dǎo)致雜質(zhì)的摻入，這些雜質(zhì)會妨礙氧化鈰的結(jié)晶過程，最終使得得到的氧化鈰純度較低、結(jié)晶度較差。

8、常規(guī)方法制備的氧化鈰顆粒形狀通常不規(guī)則均一性較差，且表面粗糙。尤其是在焙燒法中，由于高溫條件下鈰的氧化反應(yīng)往往是一個非均勻過程，導(dǎo)致顆粒形狀不規(guī)則。此外，在沉淀法和溶膠-凝膠法中，雖然可以通過控制反應(yīng)條件調(diào)整顆粒的大小，但由于反應(yīng)速度較快和溫度控制不當(dāng)，通常會得到形狀不規(guī)則的顆粒，這些顆粒的形狀、粒徑分布和表面性質(zhì)對氧化鈰的應(yīng)用性能有一定的影響，尤其是在高端應(yīng)用中，這種不規(guī)則性和低純度會大大降低其拋光效果和其他性能。

9、基于此，亟需開發(fā)一種新的氧化鈰復(fù)合材料，以使得氧化鈰形貌成方形且形狀規(guī)則均勻集中、結(jié)晶度好、純度高，可以廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體cmp拋光，高端光學(xué)拋光，化妝品等領(lǐng)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于，提供一種形貌成方形且形狀規(guī)則均勻集中、結(jié)晶度好、純度高的氧化鈰復(fù)合材料。

2、本發(fā)明的第一個方面在于：

3、提供一種方形氧化鈰復(fù)合材料的制備方法。

4、本發(fā)明的第二個方面在于：

5、提供一種方形氧化鈰復(fù)合材料。

6、本發(fā)明第三個方面在于：

7、所述方形氧化鈰復(fù)合材料的應(yīng)用。

8、本發(fā)明還提出一種半導(dǎo)體拋光材料，其包括所述的方形氧化鈰復(fù)合材料。

9、本發(fā)明還提出一種光學(xué)拋光材料，其包括所述的方形氧化鈰復(fù)合材料。

10、本發(fā)明還提出一種化妝品，其包括所述的方形氧化鈰復(fù)合材料。

11、具體而言，根據(jù)本發(fā)明的第一個方面采用的技術(shù)方案為：

12、s1?混合鈰鹽、鐠鹽和/或釹鹽于水中，依次添加無機(jī)酸和有機(jī)酸，再添加氨水和銨鹽；

13、s2?調(diào)節(jié)混合溶液ph為酸性，經(jīng)溶膠凝膠反應(yīng)，得到所述方形氧化鈰復(fù)合材料；

14、步驟s1中，所述加熱反應(yīng)的溫度為30℃-100.0℃；

15、步驟s1中，所述加熱反應(yīng)為在20-25mpa高壓下反應(yīng)。

16、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，所述技術(shù)方案中的一個技術(shù)方案至少具有如下優(yōu)點(diǎn)或有益效果之一：

17、通過將鈰鹽、鐠鹽和/或釹鹽混合，依次添加無機(jī)酸和有機(jī)酸，加入氨水和銨鹽，使得鈰離子與其他金屬離子能有效地協(xié)調(diào)排列，促進(jìn)晶體的定向生長，形成具有規(guī)則方形形貌的顆粒；本發(fā)明控制ph為酸性從而促進(jìn)規(guī)則方形形貌的顆粒形成，并使得反應(yīng)更加可控，晶粒的成核和生長也更加均勻；控制加熱反應(yīng)的溫度和壓力，保證產(chǎn)物的粒徑和雜質(zhì)含量符合要求；此外氨水的添加還控制氧化鈰的生成速率，使得形成的納米晶體非常高的規(guī)則性，酸和氨水的調(diào)節(jié)也有助于控制顆粒的團(tuán)聚形成較為均勻的復(fù)合材料。

18、此外，使用溶膠凝膠法時，氧化鈰離子通過水解反應(yīng)形成納米級凝膠網(wǎng)絡(luò)，并在加熱過程中脫水和水解的反復(fù)反應(yīng)，最終轉(zhuǎn)化為均一的氧化鈰復(fù)合材料納米顆粒。溶膠凝膠法能夠?qū)崿F(xiàn)較為均勻的顆粒生長和較小的晶粒尺寸，這有助于控制材料的形狀和結(jié)晶度；

19、鐠和/或釹稀土金屬離子與鈰離子在氧化鈰晶胞內(nèi)，有助于穩(wěn)定晶格結(jié)構(gòu)，促進(jìn)晶體的生長，從而提高結(jié)晶度。較高的結(jié)晶度有助于減少缺陷，進(jìn)而改善材料的形貌。

20、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，制備所述方形氧化鈰復(fù)合材料的方法，包括以下步驟：混合鈰鹽、鐠鹽和/或釹鹽和水于反應(yīng)裝置中，加入無機(jī)酸、有機(jī)酸、氨水和銨鹽，加熱反應(yīng)，得到混合溶液。

21、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，制備所述方形氧化鈰復(fù)合材料的方法，包括以下過程：鈰鹽、鐠鹽和/或釹鹽（記為cex、prx和/或ndx）先與有機(jī)酸（記為hr1）和無機(jī)酸（記為hr2）反應(yīng)，生成r1cer2、r1prr2和/或r1ndr2，隨后r1cer2、r1prr2和/或r1ndr2與氨水，經(jīng)溶膠凝膠反應(yīng)，生成ceo2、pro2和/或ndo2，co2，n2與h2o，其中ceo2、pro2和/或ndo2即為方形氧化鈰復(fù)合材料。

22、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，制備所述方形氧化鈰復(fù)合材料的方法，示意圖如圖1所示。

23、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述無機(jī)酸、有機(jī)酸與水的體積比為2：1：100?-2800。

24、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述水、氨水和銨鹽的質(zhì)量比為50-100：4：2。

25、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述鈰鹽與水的質(zhì)量比為1：100-20000。當(dāng)鈰鹽與水的質(zhì)量比不在該范圍內(nèi)使，將導(dǎo)致反應(yīng)速率過高或高低，最終導(dǎo)致產(chǎn)物不成型。

26、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，步驟s2中，所述溶膠凝膠反應(yīng)，包括以下步驟：將所述混合溶液置于30℃?-?160℃下蒸餾濃縮。在溶膠凝膠過程中，溶液的酸堿度、溫度和反應(yīng)時間等因素都會影響粒子的形狀，本發(fā)明控制ph為酸性有利于促進(jìn)均勻沉淀和粒子形成。

27、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述蒸餾濃縮，為高壓蒸餾濃縮，壓力范圍為1-200mpa，優(yōu)選為1-20mpa，更優(yōu)選為20mpa。

28、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，步驟s2中，所述混合溶液經(jīng)溶膠凝膠反應(yīng)后，還包括以下步驟：將經(jīng)溶膠凝膠反應(yīng)后得到的產(chǎn)物，置于120℃?-?180℃下濃縮至固含量≥60.0%，經(jīng)離心得到沉淀物，干燥沉淀物得到所述方形氧化鈰復(fù)合材料。

29、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述干燥沉淀物，包括以下步驟：在300℃?-?1100℃高溫干燥2-12小時所述沉淀物，得到方形二氧化鈰復(fù)合材料。

30、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述制備所述方形氧化鈰復(fù)合材料的方法，還包括以下步驟：在干燥沉淀物后，再進(jìn)行解團(tuán)聚的操作，以得到納米方形氧化鈰復(fù)合材料粉體。

31、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，步驟s2中，調(diào)節(jié)混合溶液ph為酸性，ph為1.0?-?6.5。優(yōu)選地，ph為3.5-6.5。

32、具體而言，根據(jù)本發(fā)明的第二個方面采用的技術(shù)方案為：

33、一種由所述的方法制備得到的方形氧化鈰復(fù)合材料，所述氧化鈰復(fù)合材料的制備原料包括以下組分：

34、鈰鹽；

35、鐠鹽和/或釹鹽；

36、氨水；

37、銨鹽；

38、有機(jī)酸；

39、無機(jī)酸；

40、水。

41、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，所述技術(shù)方案中的一個技術(shù)方案至少具有如下優(yōu)點(diǎn)或有益效果之一：

42、本發(fā)明所述方形氧化鈰復(fù)合材料，為氧化鈰、氧化鐠和/或氧化釹的復(fù)合材料，其形貌為方形且形狀規(guī)則均勻集中，所述方形氧化鈰復(fù)合材料的結(jié)晶度大于等于95%，純度大于等于99.999%的氧化鈰復(fù)合材料。

43、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述鈰鹽與鐠鹽的鈰離子、鐠離子摩爾比為100-1000000：1；所述鈰鹽與釹鹽的鈰離子、釹離子摩爾比為100-1000000：1。當(dāng)鈰離子、鐠離子摩爾比或鈰離子、釹離子摩爾比不在上述范圍內(nèi)使，會導(dǎo)致產(chǎn)物顆粒不成型，成為無規(guī)則狀產(chǎn)物。

44、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述鈰鹽與鐠鹽的鈰離子、鐠離子摩爾比為4000-80000:1。優(yōu)選的，為80000:1。

45、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述鈰鹽與釹鹽的鈰離子、釹離子摩爾比為4000-80000:1。優(yōu)選的，為80000:1。

46、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，鐠鹽和/或釹鹽的添加，對產(chǎn)物的硬度和雜質(zhì)含量有直接的貢獻(xiàn)，但不添加鐠鹽和/或釹鹽，產(chǎn)物硬度下降，雜質(zhì)含量提高，無法再應(yīng)用在半導(dǎo)體拋光材料中。

47、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述鈰鹽包括ce2(co3)3、ce(no3)3、?cecl3和ce2(so4)3中的至少一種。

48、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述鐠鹽包括pr2(co3)3、pr(no3)3、prcl3和pr2(so4)3中的至少一種。

49、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述釹鹽包括nd2(co3)3、nd(no3)3、ndcl3和nd2(so4)3中的至少一種。

50、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述鈰鹽、鐠鹽和釹鹽純度≥99.999%。

51、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述有機(jī)酸包括甲酸、乙酸、正丁酸、正己酸和乙二酸中的至少一種。

52、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述有機(jī)酸為乙酸。

53、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述銨鹽選自硝酸銨、磷酸銨、硫酸銨、乙酸銨和氯化銨中的至少一種。

54、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述銨鹽為硝酸銨。

55、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述無機(jī)酸為硝酸。

56、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述氨水的濃度為1%?-?70%w/w。

57、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述氨水和銨鹽的摩爾比為1：0.5-0.01。

58、本發(fā)明的另一個方面，還提供一種半導(dǎo)體拋光材料。包括如上述第1方面實(shí)施例所述的方形氧化鈰復(fù)合材料。由于該應(yīng)用采用了上述方形氧化鈰復(fù)合材料的全部技術(shù)方案，因此至少具有上述實(shí)施例的技術(shù)方案所帶來的所有有益效果。

59、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，一種半導(dǎo)體拋光的方法，包括以下步驟：

60、將待拋光的晶圓固定在拋光盤上，啟動拋光設(shè)備，將所述的半導(dǎo)體拋光材料制備為拋光液后噴灑到拋光墊表面以進(jìn)行拋光。

61、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述拋光液，具有以下重量份的組分：

62、磨料，1.5-3.0份；

63、超純水，85.0-90.0份；

64、氧化劑，0.5-1份；

65、絡(luò)合劑，1.0-2.0份；

66、緩蝕劑，0.1-0.5份；

67、表面活性劑，0.2-0.4份；

68、ph調(diào)節(jié)劑，0.2-0.3份。

69、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述磨料包括如上述第1方面實(shí)施例所述的方形氧化鈰復(fù)合材料。

70、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述氧化劑包括高錳酸鉀和/或雙氧水。氧化劑能夠促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，加速材料去除。

71、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述絡(luò)合劑包括谷氨酸和/或乙酰氨基酸。絡(luò)合劑能夠形成絡(luò)合物，穩(wěn)定溶液中的金屬離子，防止其沉淀。

72、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述緩蝕劑包括氨水。緩蝕劑能夠減少對不需要拋光區(qū)域的腐蝕，保護(hù)材料表面。

73、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述表面活性劑包括聚乙烯醚。表面活性劑能夠降低表面張力，改善拋光液的潤濕性和分散性。

74、根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述ph調(diào)節(jié)劑包括檸檬酸鹽。ph調(diào)節(jié)劑能夠調(diào)節(jié)溶液的ph值，優(yōu)化拋光過程中的化學(xué)反應(yīng)條件。

75、本發(fā)明的另一個方面，還提供一種光學(xué)拋光材料。包括如上述第1方面實(shí)施例所述的方形氧化鈰復(fù)合材料。由于該應(yīng)用采用了上述方形氧化鈰復(fù)合材料的全部技術(shù)方案，因此至少具有上述實(shí)施例的技術(shù)方案所帶來的所有有益效果。

76、本發(fā)明的另一個方面，還提供一種化妝品。包括如上述第1方面實(shí)施例所述的方形氧化鈰復(fù)合材料。由于該應(yīng)用采用了上述方形氧化鈰復(fù)合材料的全部技術(shù)方案，因此至少具有上述實(shí)施例的技術(shù)方案所帶來的所有有益效果。

77、本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實(shí)施本發(fā)明而了解。