劉 梅，孔令迪，蘇瑋琳，孫唯銘，邢娟娟，趙鵬飛，王志明

（1. 上海大學機電工程與自動化學院，上海 200444；2. 上海大學材料科學與工程學院，上海 200444）

引 言

在過去的幾十年里，ZnO壓電陶瓷作為避雷器被廣泛應用于交流輸電系統以防止絕緣故障。近年來，這種具有優(yōu)良非線性電性能的壓電陶瓷被推廣應用于能量傳輸的超高壓直流輸電系統[1–3]。然而，ZnO壓電陶瓷在直流偏壓下的嚴重劣化現象已成為制約超高壓直流輸電技術發(fā)展的瓶頸。同時，科技發(fā)展對納米級電路的保護提出了新的要求，在未來只有幾個晶界的陶瓷壓敏電阻成為可能[4]。由于ZnO壓電陶瓷的非線性電行為起源于微結構中ZnO顆粒之間的晶界區(qū)域，也就是沿晶界形成的雙肖特基勢壘[5–9]，因此如果能夠深入了解晶界電學特性，就可以采取具體措施來提高多晶陶瓷壓敏電阻的保護性能和可靠性。

目前大多數機械/電學表征方法不能同時測量和觀察納米材料，限制了工作效率。但掃描電鏡具有大的內置真空操作環(huán)境和實時成像能力，可配備多自由度的納米操作機。該系統可同時操縱和觀察樣品，且能夠通電連接外圍功能儀器（如數字萬用表、直流電源等），操作/檢測效率較高，可通過組裝和操縱納米材料、納米機電系統，實現電學性能的測量[10–13]。

本文提出了一種基于微納操作機（嵌入掃描電鏡真空腔內）的多晶ZnO局部微區(qū)電阻測量方法。兩個探針作為微電極夾持在操作機上，通過在單個晶界和相鄰晶粒內定位來探測電阻，測量了該ZnO壓電陶瓷晶粒的平均尺寸以及非線性系數。在20 Hz～1 MHz的頻率范圍內，通過等效電路擬合，以阻抗復平面表示實驗數據。實驗表明，晶界是低頻直流高阻阻抗的本質，多個單一晶界的電阻也可以用于預測ZnO壓敏電阻在特定低頻下的阻抗特性。

1 儀器及測量方法

測試儀器和測量示意圖如圖1所示。將含有摻雜劑的多晶ZnO壓電陶瓷拋光后安裝在掃描電子顯微鏡（SU3500, 日立）的樣品臺上，可以實時觀察幾微米甚至更小尺寸晶粒之間的晶界。利用嵌入掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscopy, SEM）真空腔室的納米操作機進行所需的定位操作，實現晶界和晶粒的局部電學特性測量。納米操作機機械臂上配備4個探針，每個探針都可以進行三自由度的粗略和精細運動。粗略模式提供大距離上的受控運動，精細模式提供極其平滑和精確的運動，可以根據操作任務實時切換。探針是GGB工業(yè)公司生產的ST-20-0.5，其尖端直徑為0.5 μm，錐度為10°。將4個探針安裝在納米操作機的4個單元中，在該系統的4個臂上各安裝了一個單獨的卡槽，每一個卡槽都可以通電連接到外圍儀器上，如數字萬用表（DMM7510）以及精密阻抗分析儀（E4990A, Keysight）等，并可操縱由卡槽和探針組成的單元在X,Y,Z方向獨立移動。因此，使用這種裝置可以對ZnO壓電陶瓷晶界進行操作，并表征其電學性能。

圖1 多晶ZnO電學特性測試儀器及測量圖

2 結果與討論

為了消除由電子束輻照引起的電子積累和外界噪聲干擾對測量的影響，一般通過給微納操作機和精密阻抗分析儀接地線來減小誤差。從樣品上表面選擇目標區(qū)域后，實時觀察微電極探針移動到ZnO上方，慢慢接近目標區(qū)域，直到探針尖端–表面發(fā)生滑動行為。假設探針尖端–表面接觸為恒定壓力，SEM真空腔內的工作溫度與23.4°C的室溫基本一致。

統計20個隨機晶粒并計算出其平均尺寸（粒徑）在8～10μm之間，平均截距長度已在圖2中標明。

圖2 平均晶粒尺寸

通過機械手的精確操作，結合掃描電鏡大視場觀測，可以高效地確定和探測目標區(qū)域。SEM真空室內部環(huán)境清潔干燥，幾乎沒有污染物，因此實驗條件穩(wěn)定，可控制對環(huán)境敏感的影響因素。使用納米操作機，首先通過電鏡對焦確認探針和ZnO壓電陶瓷的高度信息。選擇ZnO所在平面作為參考高度，通過粗調使探針接近選中的晶粒，再采用精細模式不斷調整納米操作機直到探針與ZnO表面清晰度相同，此時探針即接觸到晶粒。同理，另一根探針接觸與前一晶粒有相同晶界的晶粒，利用阻抗分析儀測量所得的數據，并繪出復阻抗圖，如圖3所示。

圖3 總電阻組成分布

測量回路中總電阻RL2的表達式為：

式中：R1為兩探針與晶粒接觸的電阻；R2為晶界電阻；R3為兩晶粒的電阻。

晶粒電阻和接觸電阻之和為RL1，可認為實驗中兩晶粒阻抗大致相等，因而得出：

從而可計算出晶界阻抗。

利用機械手隨機定位10個單晶界，探測距離大致相同，得到20 Hz下的電阻分布圖，如圖4所示。阻抗范圍為1～10 M?，其中3～5 M?占70%。從統計學的角度來看，該方法可以預測ZnO壓電陶瓷在某一較低頻率下的阻抗特性。

圖4 10個晶界在20 Hz下的電阻分布

通過數字萬用表分析晶界的伏安特性曲線，如圖5所示。ZnO壓電陶瓷的非線性系數α的計算式為：

圖5 壓電陶瓷晶界伏安特性曲線

式中：V1,V2為測得的晶界電壓；I1,I2為測得的晶界電流。計算得α約為1.252，與前人的報導相近。

3 結束語

綜上所述，本文提出了一種基于納米操作機的多晶ZnO局部微區(qū)阻抗測量方法。在20 Hz～1 MHz的半圓阻抗復平面上，分別采用由相應的并聯R-C單元串聯而成的等效電路進行擬合。利用阻抗譜圖定量確定了單個高阻晶界的占比（與均勻摻雜的相鄰晶粒中較低的阻抗相比），可推斷出多晶粒連接處附近的電阻能力較高。統計了該ZnO壓電陶瓷的平均晶粒尺寸以及非線性系數。實驗表明，20 Hz下的電阻分布可用于預測ZnO壓電陶瓷在某些較低頻率下的阻抗特性。