关于氧化锌压敏电阻相关技术的研究

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1、摘要ZnO压敏电阻陶瓷材料与元件不仅在技术上和应用上跨越电子和电力两大领域，而且是高技术部『]和通用技术部门不可缺少的重要技术支撑之一。自从ZnO的半导体功能特性被发现并研制出压敏电阻器以后，人们开始从导电机理、制备工艺及应用等许多方面进行了研究。本文针对目前ZnO压敏电阻研究中的～些关键问题进行了系统深入地研究与探索，得到一些新颖与开创性的研究结果。目前对低压ZnO压敏电阻的研究已成为ZnO压敏电阻研究中的热点，考虑到产品设计和大规模生产的需要，对低压ZnO压敏电阻中添加剂的研究则是一个迫切而又非常有实际意义的课题。本文研究了低压ZnO压敏陶瓷中重要的

2、添加剂Ti02和Bh03，对ZnO压敏陶瓷显微结构及电性能的影响，得到一些新颖的、有创新性和启发性的结果。1．单独的Ti02的对ZnO压敏陶瓷显微结构有两方面的影响：一是Ti02引起晶格畸变，导致晶粒异向生长；二是Ti02与ZnO反应生成Zn2Ti04尖晶石相，钉扎在晶粒表面，阻碍晶界迁移，影响固相烧结。2．Bi203对ZnO压敏陶瓷显微结构和电性能的影响表现在以下几个方面：(1)首次发现了ZnO压敏陶瓷中的锥状或柱状“突起物”现象，这种“突起物”使ZnO压敏陶瓷的晶界变得不规则，从而对电性能产生不利影响。本文首次对其生长机制进行了探讨，认为它是ZnO晶

3、粒的极性生长造成的；ZnO的极性晶格结构和结晶形态是出现该现象的的内在条件，而Bi203液相提供的有利于极性生长显现的物化环境是该现象的外部原因。(2)Bi偏聚在晶界，将ZnO晶粒隔离开来，形成清晰的ZnO晶粒和富Bi相偏聚的晶界。偏聚在晶界的Bi形成了晶界电子势垒，是产生非线性主要因素。其他的添加剂与Bi203的相互作用可以影响ZnO压敏陶瓷非线性系数等电性能。3．Ti02与Bi203的相互作用可以很大程度上影响ZnO压敏陶瓷显微结构和电性能。(1)温度低于1050。C时，Bi203与Ti02生成Bh(Ti04)3，ZnO在Bi4(Ti04)3液相中的

4、溶解度大于在Bi203中的溶解度，溶解一沉积传质速率加快，烧结进程得到极大的促进。温度高于1050℃时，Bi4(Ti04)3分解。(2)温度低于1050。C时，由于Bi203参与形成TBi4(Ti04)3，使得ZnO压敏陶瓷没有形成明显富铋相偏聚的晶界。温度高于1050。C后，Bi4(Ti04)3的分解使得Bi203重新“释放”出来，形成了清晰的富铋相偏聚的晶界和ZnO晶粒。没有添摘要加Ti02的配方在950、1050、1150、1250℃四个温度下均形成了非常明显且清晰的ZnO晶粒和晶界，上述特殊现象；是Bi203与Ti02反应生成的Bi4(Ti04)

5、3作用的结果。该发现对改善生产中的温度制度具有指导意义。4．通过微米粉体Ti02、纳米粉体Ti02、纳米胶Ti02体三种形态掺杂的对比，研究了纳米Ti02对ZnO压敏陶瓷显微结构及电性能的影响。(1)宏观性能和微观结构上，纳米胶体Ti02掺杂的效果最优。从电性能上来看，纳米胶体Ti02掺杂的压敏电压梯度最低，微米粉体Ti02次之，纳米粉体Ti02最高，纳米胶体Ti02{氐压化的效果最好；纳米胶体Ti02掺杂的非线性系数最大，微米粉体Ti02次之，纳米粉体Ti02最低；纳米胶体Ti02掺杂的漏电流最低，微米粉体Ti02次之，纳米粉体Ti02最高。纳米胶体T

6、i02掺杂的电性能最好，微米粉体Ti02次之，纳米粉体Ti02最差。(2)纳米胶体Ti02以胶体形态存在，克N7纳米粉体易团聚的现象，充分发挥了纳米颗粒的优势，充分体现出其分散性好，均匀性好的特点，是真正意义上的纳米Ti02。纳米粉体Ti02存在着严重的团聚现象，导致其有效粒度甚至比微米粉体还要大。这导致了三种不同形态的Ti02对ZnO压敏陶瓷显微结构和电性能影响的差异。通过电流一电压测试，电容一电压测试，显微形貌分析，正电子湮没寿命分析，以及介电谱分析，研究了烧结温度对ZnO压敏电阻宏观电性能、势垒高度和介电性能的影响；不同的降温速率和添加剂(Nb20

7、5)对压敏电阻电性能和缺陷的影响，得到一些重要的且大都未经报道的研究结果：1．发现随着烧结温度升高，样品势垒高度pB下降，晶粒尺寸增大，两者的综合作用，使得压敏电阻的电压梯度呈现下降的趋势。复介电常数￡”与频率fZ间的关系可以表示为e"(co)occon‘1(其中n值为0．61)，在音频范围，Zn0压敏电阻存在跳跃导电机理。并且推导了压敏电阻漏电流五与非线性系数口之间的关系，发现两者存在如下变化关系：lglL--a·lgO．83=C0，即样品的漏电流凡与非线性系数a呈相反的变化关系，当五．变大时，a变小。2．利用正电子湮没技术，研究压敏电阻中的晶界缺陷，

8、发现向样品中掺杂Ti02或者快速冷却样品，都能使得样品晶界处Zn空位或其复合体尺