摘要:在燒結(jié)溫度為1 100 ℃條件下,研究了SiO2摻雜濃度對(duì)ZPYSCC-nSiO2復(fù)合壓敏電阻物相和壓敏性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:隨著SiO2摻雜濃度增大,三強(qiáng)峰的衍射角逐漸減小;當(dāng)SiO2摻雜濃度為0.01 mol時(shí),非線性系數(shù)達(dá)到最大值68,此時(shí)壓敏電壓約為370 V/mm。
關(guān)鍵詞:復(fù)合壓敏電阻;SiO2摻雜;微觀結(jié)構(gòu);壓敏性能
0 引言
隨著外加電壓變化,通過(guò)的電流能夠發(fā)生顯著變化的電阻稱為電壓敏感電阻,簡(jiǎn)稱壓敏電阻[1]。氧化鋅(ZnO)是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料,應(yīng)用十分廣泛[2],通常用作壓敏電阻的制作材料。ZnO壓敏電阻能夠有效吸收電力電子系統(tǒng)中的過(guò)電壓,保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行[3]。ZnO壓敏電阻是由氧化鋅和各種添加劑按照一定比例,經(jīng)過(guò)復(fù)雜的制備工藝制備而成。本文在相同的壓敏電阻制備工藝條件下,研究了SiO2摻雜濃度對(duì)ZnO-Pr2O3-Y2O3-Sb2O3-Co2O3-Cr2O3(ZPYSCC)-nSiO2復(fù)合壓敏電阻性能的影響,包括物相分析、壓敏性能分析和機(jī)理分析。
1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程
按照一定比例稱取原材料:Pr2O30.02 mol、Y2O30.005 mol、Sb2O30.005 mol、Co2O30.005 mol、Cr2O30.005 mol、SiO2n mol和ZnO (1-n)mol,SiO2的摻雜量n分別取0、0.005、0.01和0.015。按照傳統(tǒng)電子陶瓷制備工藝制備樣品,其燒結(jié)溫度為1 100 ℃。樣品的物相采用X射線衍射儀(XRD)進(jìn)行分析,樣品的微觀結(jié)構(gòu)采用掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察,復(fù)合壓敏電阻的壓敏性能用高壓源表測(cè)試。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 ? ?物相分析
物相分析結(jié)果如圖1所示,表明了n為不同值時(shí)ZPYSCC-
nSiO2復(fù)合壓敏電阻的XRD圖譜及部分放大結(jié)果。從測(cè)試結(jié)果可以看出,復(fù)合電阻的主晶相為鉛鋅礦結(jié)構(gòu),同時(shí)還含有ZnCr2O4、ZnCo2O4、Zn7SbO12等新物相。新物相是在高溫條件下通過(guò)固相反應(yīng)形成的,形成陶瓷后這些新物相會(huì)偏析于晶界,對(duì)電阻的壓敏性能產(chǎn)生影響。
同時(shí),從圖1可以看出,隨著SiO2的摻雜濃度增大,ZPYSCC-
nSiO2復(fù)合壓敏電阻的三強(qiáng)衍射峰也會(huì)發(fā)生一定的位移,衍射角逐漸減?。ㄈ龔?qiáng)衍射峰向左偏移)。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因與SiO2的摻入有關(guān),SiO2可以促進(jìn)陶瓷燒結(jié)過(guò)程中液相的形成,在液相環(huán)境下離子的傳輸速度增大,使晶粒生長(zhǎng)的速度增大,因此平均晶粒尺寸增大,衍射角向低角度偏移。
2.2 ? ?壓敏性能分析
圖2為n為不同值時(shí)ZPYSCC-nSiO2復(fù)合壓敏電阻的伏安特性曲線,即E-J特性關(guān)系曲線,其中復(fù)合壓敏電阻的壓敏電壓隨著SiO2的摻雜濃度增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),這與平均晶粒尺寸的先減小后增大的趨勢(shì)相反。由于施加到每一個(gè)晶粒上的電壓與晶粒的總數(shù)目相關(guān),晶粒數(shù)目越多,平均晶粒尺寸越小,每個(gè)晶粒上的電壓越大,即壓敏電壓越大。當(dāng)SiO2的摻雜濃度為0.01 mol時(shí),高壓源表測(cè)得復(fù)合壓敏電阻的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為370 V/mm,此時(shí)非線性系數(shù)達(dá)到最大值68。
3 燒結(jié)機(jī)理分析
在高溫環(huán)境下,氧化鋅和各種添加劑會(huì)發(fā)生十分復(fù)雜的燒結(jié)反應(yīng),在反應(yīng)過(guò)程中添加劑離子會(huì)在氧化鋅晶格中進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)動(dòng),并通過(guò)晶粒生長(zhǎng)溶入到氧化鋅晶粒中,同時(shí)會(huì)有一部分離子運(yùn)動(dòng)到晶界,形成復(fù)雜的晶界相物質(zhì)。在氧化鋅晶格中同時(shí)存在Cr和Bi兩種離子,但是這兩種離子和晶格本身的Zn和O離子的差別較大,因此在燒結(jié)過(guò)程中,這兩種離子的運(yùn)動(dòng)形式是截然不同的。
Bi離子的半徑較大,和ZnO晶格的差別也較大,其電負(fù)性也和O離子有很大差別,因此在燒結(jié)過(guò)程中Bi離子會(huì)向能量較低的晶界處運(yùn)動(dòng),形成晶界相,例如,晶界的氧化鉍層就是通過(guò)這種方式形成的。Cr離子的半徑較小,且和Zn離子的半徑差別很小,其電負(fù)性也與Zn原子接近,在燒結(jié)過(guò)程中會(huì)被溶入到氧化鋅晶格中,對(duì)氧化鋅的晶格參數(shù)產(chǎn)生影響,XRD測(cè)試中復(fù)合壓敏電阻的衍射峰發(fā)生偏移就是由此產(chǎn)生。因此,在制備復(fù)合壓敏電阻陶瓷時(shí)必須選擇合適的添加劑,既要優(yōu)化晶界,又要優(yōu)化晶粒及其均勻性,這樣才能得到性能較好的壓敏電阻。
4 結(jié)語(yǔ)
本文研究了SiO2摻雜濃度對(duì)ZPYSCC-nSiO2復(fù)合壓敏電阻物相和壓敏性能的影響。隨著SiO2濃度增大,復(fù)合壓敏電阻的衍射角逐漸減小,當(dāng)SiO2摻雜濃度為0.01 mol時(shí),非線性系數(shù)達(dá)到最大值68,擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為370 V/mm。根據(jù)燒結(jié)機(jī)理分析可知,復(fù)合壓敏電阻的壓敏性能主要由其微觀結(jié)構(gòu)決定,微觀結(jié)構(gòu)越均勻、晶界越清晰的電阻通常具有較好的壓敏參數(shù)。以上性能參數(shù)的產(chǎn)生實(shí)質(zhì)上是陶瓷燒結(jié)過(guò)程中離子運(yùn)動(dòng)的結(jié)果,不同離子的運(yùn)動(dòng)形式不同。與原晶格半徑、電負(fù)性差別較大的離子通常會(huì)運(yùn)動(dòng)到晶界處,對(duì)晶界的均勻性產(chǎn)生影響,與原晶格、電負(fù)性差別較小的離子通常會(huì)溶入原晶格內(nèi)部,對(duì)原晶格的晶格參數(shù)產(chǎn)生影響,使其衍射峰發(fā)生偏移。
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收稿日期:2020-09-07
作者簡(jiǎn)介:陳永佳(1991—),男,陜西西安人,助教,從事半導(dǎo)體電子器件的研究工作。