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界面双肖特基势垒统计压电电子学效应的理论模拟与实验验证

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界面双肖特基势垒统计压电电子学效应的理论模拟与实验验证

作者：韩明西安电子科技大学

学位级别：硕士

王中林老师创立压电电子学效应后,此领域发展迅速,吸引了大量国内外研究团队致力于压电电子学理论和器件的研究。然而,之前对于压电电子学效应的研究主要集中在仅仅拥有一个或者有限个界面的器件或系统中。由于取向的不可控,压电电子学... 详细信息

王中林老师创立压电电子学效应后,此领域发展迅速,吸引了大量国内外研究团队致力于压电电子学理论和器件的研究。然而,之前对于压电电子学效应的研究主要集中在仅仅拥有一个或者有限个界面的器件或系统中。由于取向的不可控,压电电子学效应在由大量界面组成的包含数以百万计的压电单元的系统中只能起到非常有限的作用。直到现在,对包含大量界面的体材料施加压应力还没有报道过电导率降低或者不变的情况。因此,探索含有大量界面的压电电子学效应的调控机制是非常重要的。本论文的研究目的在于揭示体材料中大量界面压电电子学效应的统计调节机制。首先,我们研究了由随机取向分布的Zn O纳米颗粒压制成的块体试样和烧结块体试样的电流-应力传输特性,发现大量压电电子学界面的随机取向分布会导致优选的电流通道,从而随着应力的增大而提高系统的电流传输能力,符合我们对统计压电电子学效应的定义,这是第一种调控行为。然后,我们通过电子设计自动化（EDA）电路模型来代替有限元分析（FEA）进行界面传输特性计算。通过三维等效电路的模拟计算发现内部单晶随机取向分布的Zn O阵列系统的电路模拟输出与对Zn O单晶纳米颗粒压制块体试样的测试结果一致,从理论上验证了统计压电电子学效应的第一种调控行为。而内部单晶一致取向的Zn O阵列系统的等效电路输出产生了输出电流随应力的增大而降低的现象,我们分析认为这是因为统计压电电子学效应的调控所致,是从理论模拟的角度计算得出的统计压电电子学效应的第二种调控行为。最后我们通过对Zn O单片和双片压制块体的研究,从实验上验证了计算得到的统计压电电子学效应的第二种调控行为,同时发现烧结处理可能会对器件内部结构造成破坏而使得原本遵循统计压电电子学效应第二种调控机理的器件调控作用失效。综上,我们提出了统计压电电子学效应的理论模型,并且从理论计算和实验研究两方面同时证明了统计压电电子学效应的存在与有效性。

关键词：压电电子学统计氧化锌纳米片双肖特基势垒

微观晶界特性对氧化锌压敏电阻宏观电气性能的影响机制

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工程科学与技术 2023年

作者：孟鹏飞郭敬科雷潇王磊张兵兵缪奎胡军四川大学电气工程学院西安西电避雷器有限责任公司国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院国网四川省电力有限公司电力科学研究院清华大学电机系中科天际科技股份有限公司

ZnO压敏电阻具有优良的非线性伏安特性与良好的通流能力，可以在电力系统发生过电压时将冲击能量吸收从而实现对电力设备的保护，在电力设备的过电压保护中得到广泛应用。ZnO压敏电阻的非线性特性起源与其晶界特殊的双肖特基势垒结构有... 详细信息

ZnO压敏电阻具有优良的非线性伏安特性与良好的通流能力，可以在电力系统发生过电压时将冲击能量吸收从而实现对电力设备的保护，在电力设备的过电压保护中得到广泛应用。ZnO压敏电阻的非线性特性起源与其晶界特殊的双肖特基势垒结构有关，微观晶界参数对ZnO压敏电阻的宏观电气性能参数起到决定性作用，而目前对于微观晶界特性对ZnO压敏电阻宏观电气性能的影响机制研究较少。本文基于Voronoi网络及改进的晶界分区模型，通过材料计算的方法研究得到了ZnO压敏电阻晶粒施主密度、晶界表面态密度、晶界分区参数等微观晶界特性对其宏观电气性能的影响规律。研究将高性能ZnO压敏电阻的研制过程视为多变量、多目标问题，并依据任意优化变量对优化目标的影响是否相同、优化变量对两类优化目标的作用效果是否相同对优化目标和优化变量进行分类，揭示了微观晶界对电气性能的影响机制。通过优化变量、优化目标的合理分类，本研究将复杂的多变量、多目标问题有效简化，并依据分类变量和分类目标的特征制定分步优化策略，从微观物理层面对ZnO压敏电阻性能进行改善，对高性能ZnO压敏电阻的研制有重要意义。

关键词： ZnO压敏电阻材料计算双肖特基势垒晶界分区影响机制

金属氧化物掺杂对ZnO压敏电阻直流老化特性的影响研究

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金属氧化物掺杂对ZnO压敏电阻直流老化特性的影响研究

作者：李宇鹏重庆大学

学位级别：硕士

在电力系统、电力电子线路的过电压保护当中,ZnO压敏电阻凭借优异的压敏特性而被广泛应用。但是由于ZnO压敏电阻长时间并联在被保护设备两端带电工作,长此以往会对ZnO压敏电阻产生劣化效应。根据Cigre的报告,直流劣化对ZnO压敏电阻的影... 详细信息

在电力系统、电力电子线路的过电压保护当中,ZnO压敏电阻凭借优异的压敏特性而被广泛应用。但是由于ZnO压敏电阻长时间并联在被保护设备两端带电工作,长此以往会对ZnO压敏电阻产生劣化效应。根据Cigre的报告,直流劣化对ZnO压敏电阻的影响更为严重,而目前公开的报道中针对直流劣化问题大多是从工艺角度对其进行改进,从配方角度进行研究的文献较少。本文基于商业配方与传统固相烧结法,研究了不同金属氧化物掺杂对ZnO压敏电阻直流老化性能的影响。首先,从晶界形成的角度,探究了BiO掺杂对ZnO压敏电阻直流老化性能的影响,发现BiO掺杂含量在0.3 mol%以下时,晶界层厚度过薄,试样未形成良好的晶界势垒,功耗曲线快速上升,直流老化性能较差,随着掺杂含量增加,试样功耗曲线均呈现先下降并保持稳定的特征,而BiO含量过多,晶界层厚度增加不利于势垒恢复,0.6 mol%BiO掺杂含量的试样直流老化性能最为优异。其次,从控制晶粒尺寸的角度,探究了SbO掺杂对直流老化性能的影响,掺杂0 mol%SbO时,晶粒尺寸过大导致单位厚度晶界数目减少,从而影响ZnO压敏电阻的电气性能,其功耗曲线逐渐上升,通过掺杂SbO抑制晶粒生长,从而提升其电气性能,而过量的SbO掺杂导致尖晶石相过多,晶粒尺寸过小,功耗曲线呈现出先下降后上升的不稳定特征,对比老化前后的结果,发现0.75 mol%掺杂的试样劣化程度最小。最后,从性能提升的角度,探究了NiO掺杂对ZnO压敏电阻直流老化性能的影响,发现NiO掺杂含量在0.33 mol%以下时,试样已经形成较为良好的晶界势垒,但短时间老化后,试样即热崩溃,其功耗曲线急速上升,掺杂含量在0.98 mol%以下时,试样的功耗曲线呈现出先下降后上升的特征,老化后的试样性能有所改善,但势垒高度的恢复能力依然较差,而NiO掺杂含量为1.3 mol%的试样,直流老化性能最为优异。本文系统研究了不同种类及含量的金属氧化物掺杂对ZnO压敏电阻的直流老化性能的影响,并根据测试结果分析了ZnO压敏电阻直流老化中功耗曲线变化的机理,对于提升ZnO压敏电阻的电气性能提供理论参考。

关键词： ZnO压敏电阻加速直流老化介电性能双肖特基势垒

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氧化锌压敏电阻空间电荷与非线性特性的关系

中国科学：技术科学 2011年第8期41卷 1128-1134页

作者：王倩屠幼萍丁立健琚泽立华北电力大学高电压与电磁兼容北京市重点实验室北京102206

为了从微观角度解释ZnO压敏电阻的导电机理,利用电声脉冲(PEA)法,对4种ZnO压敏电阻试样在不同电流密度下的空间电荷分布特性进行了试验.研究结果表明,空间电荷和电流密度之间的关系与伏安特性曲线具有一致性,可以反映非线性特性.在小电... 详细信息

为了从微观角度解释ZnO压敏电阻的导电机理,利用电声脉冲(PEA)法,对4种ZnO压敏电阻试样在不同电流密度下的空间电荷分布特性进行了试验.研究结果表明,空间电荷和电流密度之间的关系与伏安特性曲线具有一致性,可以反映非线性特性.在小电流区,空间电荷与场强和电流密度呈线性关系,空间电荷的增加反映了晶界层表面态的减少和肖特基势垒的变化.小电流区到中电流区存在过渡区,过渡区的电流是由热电子激活和隧道电流共同构成.在中电流区,随着电流的增大,空间电荷会呈减小趋势,当耗尽层减小为零时,空间电荷会基本消失.

关键词： ZnO压敏电阻电声脉冲(PEA)法空间电荷双肖特基势垒

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压敏电阻冲击老化过程中残压比变化的分析

电瓷避雷器 2014年第2期 42-47,51页

作者：陈璞阳杨仲江李祥超王成芳赵军南京信息工程大学大气物理学院南京210044 北京市雷电防护装置测试中心北京100176

残压比是衡量压敏电阻性能的一项重要指标,针对压敏电阻在冲击老化过程中残压比的变化问题,通过对压敏电阻样品进行8/20μs雷电流冲击老化试验,发现残压比在标称电流(In)冲击老化试验过程中呈现缓慢降低--缓慢增加--快速上升的变化趋势... 详细信息

残压比是衡量压敏电阻性能的一项重要指标,针对压敏电阻在冲击老化过程中残压比的变化问题,通过对压敏电阻样品进行8/20μs雷电流冲击老化试验,发现残压比在标称电流(In)冲击老化试验过程中呈现缓慢降低--缓慢增加--快速上升的变化趋势;根据双肖特基势垒理论及热老化理论分析,得出冲击过程中残压比的大小主要由晶界层状态所决定,残压比快速上升阶段是由于晶界层大量破坏的结论;提出了利用残压比变化率来衡量压敏电阻老化程度的方法,在实际应用中具有参考价值。

关键词：氧化锌压敏电阻残压比双肖特基势垒冲击老化

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低压ZnO变阻器的研究

北京工业大学学报 1994年第1期20卷 111-117页

作者：周亚栋杨燕玫北京工业大学化学与环境工程学系

研究了掺杂物对ＺｎＯ变阻器电学性能（标称电压Ｖ１ｍＡ和非线性系数α）的影响，用双肖特基势垒模型和隧道效应解释了其微量观机制，获得了Ｖ１ｍＡ＜２０Ｖ，α＞２０的低压ＺｎＯ变阻器。

关键词：变阻器氧化锌双肖特基势垒

Bi掺杂CaCu_3Ti_4O_(12)薄膜的制备及压敏性能

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电镀与精饰 2018年第9期40卷 19-23页

作者：孙春莲王彬彬新乡职业技术学院河南新乡453002 江苏大学材料科学与工程学院江苏镇江212013

以溶胶-凝胶法在Si(100)基底上制备了Ca_(1-3x/2)Bi_xCu_3Ti_4O_(12)(CBCTO)薄膜。XRD结果表明,于900℃退火1 h可形成多晶CaCu_3Ti_4O_(12)(CCTO)相。SEM显示Bi离子掺杂使CCTO晶粒异常生长。通过压敏电阻测试仪分析了CBCTO薄膜的压敏电阻特性,所有样品均呈现明显的非线性特性,用双肖特基势垒模型进行了充分说明。Ca_(0.925)Bi_(0.05)Cu_3Ti_4O_(12)(x=0.050)薄膜具有最小的电位梯度与最小的漏电流,可良好应用在低压压敏电阻开关等领域。

关键词：溶胶-凝胶 CCTO 非线性双肖特基势垒

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冲击电流作用下氧化锌压敏电阻极性效应分析

解放军理工大学学报（自然科学版） 2012年第4期13卷 378-382页

作者：杨仲江柴健张枨赵军李祥超南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室江苏南京210044 南京信息工程大学大气物理学院江苏南京210044 北京雷电防护装置测试中心北京100176

为了能够精确测量MOV(氧化锌压敏电阻)的静态参数,利用HAEFELY PSURGE 30.2冲击波形模块在8/20μs冲击电流下分别对MOV样品进行正负极性冲击,测量冲击后MOV的静态参数并描绘出压敏电压的变化曲线以及小电流区的伏安特性曲线。根据MOV内... 详细信息

为了能够精确测量MOV(氧化锌压敏电阻)的静态参数,利用HAEFELY PSURGE 30.2冲击波形模块在8/20μs冲击电流下分别对MOV样品进行正负极性冲击,测量冲击后MOV的静态参数并描绘出压敏电压的变化曲线以及小电流区的伏安特性曲线。根据MOV内部双肖特基势垒模型,结合离子迁移理论,提出了MOV在冲击电流作用后同样存在极性效应,并且在负向测量时伏安特性曲线蜕变较严重;在正负极性交替冲击下,极性效应逐渐消失,但伏安特性曲线同样存在蜕变;在不同极性冲击下的压敏电压呈先上升后下降的趋势。这为今后精确地表征MOV蜕变程度提供了新的方法。

关键词：双肖特基势垒离子迁移极性效应伏安特性曲线蜕变

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单晶界氧化锌压敏电阻空间电荷特性研究

单晶界氧化锌压敏电阻空间电荷特性研究

作者：吉晨杰西安理工大学

学位级别：硕士

随着我国特高压输电线路的发展,电力系统对于避雷器的要求越来越高,氧化锌（ZnO）压敏电阻作为避雷器的核心元件,其电气性能决定了避雷器的过电压保护水平。ZnO压敏电阻具有优良的非线性特性,研究发现,在晶界处形成的双肖特基势垒是引起... 详细信息

随着我国特高压输电线路的发展,电力系统对于避雷器的要求越来越高,氧化锌（ZnO）压敏电阻作为避雷器的核心元件,其电气性能决定了避雷器的过电压保护水平。ZnO压敏电阻具有优良的非线性特性,研究发现,在晶界处形成的双肖特基势垒是引起ZnO压敏电阻非线性特性的主要原因。本文从晶界的角度对ZnO压敏电阻的非线性特性进行深入研究,首先,利用溶液流延法制备出含有多种金属氧化物的中间层薄膜,并通过对烧结温度、保温时间、温升速率、冷却速率进行分析,确定试样烧结方案,制备得到仅具有一个晶界结构的ZnO压敏电阻试样---单晶界ZnO压敏电阻,测试结果表明,制备的试样呈现两个晶粒一个晶界的“三明治结构”,同时试样具有一定的非线性特性。其次,建立了考虑晶界结构变化的双极性载流子输运模型。在计算过程中,用平板电极模型对ZnO晶界结构进行了分区处理,通过泊松方程计算得到ZnO晶界的电场分布,根据载流子迁移规律计算得到载流子迁移速度,利用传导方程描述在电场作用下的离子迁移过程,进一步仿真得出ZnO晶界内部空间电荷分布随时间变化的关系曲线。最后,基于双极性载流子输运模型,对ZnO晶界内部载流子迁移规律进行仿真模拟,从加压时间、环境温度、耗尽层密度三个方面,对晶界内部空间电荷分布、肖特基势垒高度、晶界泄漏电流进行了系统的研究,为深入开展与ZnO压敏电阻相关的导电机理、老化机理和性能改进方面的研究提供了重要的理论支持。

关键词：单晶界ZnO 非线性特性空间电荷双肖特基势垒双极性载流子输运模型