掺杂对ZnO-Bi2O3基压敏陶瓷微观结构和电学性能的影响

作     者：陈姣姣 

作者单位：陕西科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘建科

授予年度：2022年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：ZnO-Bi2O3基压敏陶瓷 氧化物掺杂 电容-电压(C-V)特性法 晶界势垒高度 非线性系数 

摘      要：压敏电阻器是一种具有非欧姆特性的半导体陶瓷器件,其电学特性是当电阻器所加电压大于压敏电压时,微小的电压变化将导致电流急剧增加,进而吸收过多的浪涌能量。压敏电阻器良好的压敏性能使其在电器、高压线路中广泛应用,起到浪涌吸收、过电压保护和静电保护的作用。WO、CaCuTiO(CCTO)、TiO、SrTiO、SnO和 ZnO 等都可制成压敏电阻器。其中ZnO压敏陶瓷成本低、漏电流小、响应时间短,作为压敏电阻器的核心部件被广泛应用。掺杂对ZnO压敏陶瓷的微观结构和电学性能有显著作用,SiO、SbO或NiO掺杂均能有效改善ZnO压敏陶瓷的非线性系数等电学性能。晶界特性决定电学性能,但文献中对于晶界参数的估算仍有不足。因此本课题以ZnO-BiO-MnO-CrO为基础配方,分别掺杂SiO、SbO或NiO,采用传统固相烧结法制备ZnO压敏陶瓷,并研究掺杂量和烧结温度对ZnO压敏陶瓷微观结构和电学性能的影响。对SbO掺杂ZnO-BiO-MnO-CrO压敏陶瓷,分别利用电容-电压(C-V)特性法、电流-电压(J-E-T)法和激活能测试法计算其晶界参数并对比三种方法的优缺点。探究非线性系数α与晶界势垒高度φb的关系,分析不同测试方法得出的φb值不同的原因。得到如下结论:(1)以ZnO-BiO-MnO-CrO为基础配方,改变SiO掺杂量和烧结温度,探究SiO对ZnO压敏陶瓷微观结构和电学性能的影响。研究发现,在频率105 Hz附近时,由于极化跟不上外电场变化,相对介电常数εr值急速下降,产生相应的损耗峰。随着掺杂量的增加,损耗峰高度先降低后升高,在0mol%时最高,1.0mol%时最低,SiO的掺杂明显降低了在105Hz附近的tanδ值。当SiO掺杂量为1.0mol%、烧结温度为990℃时,α达到43.36,φb值为1.98 eV,同时漏电流IL为0.31 μA/cm。(2)以ZnO-BiO-MnO-CrO为基础配方,改变SbO掺杂量和烧结温度,探究SbO对ZnO压敏陶瓷微观结构和电学性能的影响。研究发现,在频率为200Hz时,不同掺杂量下的εr值分别为673、386、438、206,不同烧结温度下的εr分别为146、296、442、599。当SbO掺杂量为1.0 mol%、烧结温度为990℃时,α为44.43,φb值为1.23 eV,IL为最小值1.64 μA/cm。(3)以ZnO-BiO-MnO-CrO为基础配方,改变NiO掺杂量和烧结温度,探究NiO对ZnO压敏陶瓷微观结构和电学性能的影响。研究发现,掺杂0.5 mol%NiO后,部分MnO和NiO反应,生成了一种新相NiMnO。在频率为200 Hz时,不同烧结温度下的tanδ分别为0.026、0.023、0.019、0.041,呈先减小后增大的趋势,990℃时tanδ最低。当NiO掺杂量为0.5 mol%、烧结温度为990℃时,α达到41.17,φb值为1.98 eV,IL为0.07μA/cm。(4)非线性系数α与晶界势垒高度φb息息相关。为探究晶界参数的变化对α值的影响,采用C-V特性法、J-E-T法和激活能测试法测试ZnO压敏陶瓷的晶界参数。结果表明,C-V特性法和J-E-T法得到的参数较为齐全,可分析晶界参数等随掺杂量变化的趋势,前者测得的φb值受微观结构和频率影响较大;后者不需要将测试的电压-电流值换算成单个晶界,但绘出的曲线并非直线,低电场区和中电场区测试的结果不同;激活能测试法相对简单,测试计算的结果与经典文献报道、公认的φb值接近,但得到的信息较少,只能计算φb值。