浆料分散体系与金属氧化物掺杂对ZnO压敏电阻性能的影响

发布时间：2020-08-19 19:36

【摘要】：ZnO压敏电阻因其独特的I-V特性在电力系统中得到了广泛应用。对高梯度大通流压敏电阻的探究十分迫切。本文通过改变分散剂含量与浆料p H值制备A、B系列ZnO压敏电阻,研究浆料分散性与压敏电阻性能的关系。改变添加剂金属氧化物Cr2O3、Sb2O3掺杂量,制备C、D系列ZnO压敏电阻,研究Cr2O3、Sb2O3的含量对ZnO压敏电阻性能的影响。改变Cr2O3/SiO2的掺杂比例与烧结温度,制备出高电位梯度大通流的非线性电阻。1.制备了不同分散剂含量、不同pH值的浆料与电阻片。研究结果表明,当D-134含量低于最适含量时,总浆料粘度显著降低。此时D-134没有饱和吸附于氧化物颗粒表面,这增加了氧化物表面间的吸附引力的可能性。当D-134含量超过最适含量,总浆料粘度略微增加。空间斥力降低,桥接作用产生。随着p H值增加,总浆料的粘度并未降低,因为氢氧根离子部分替代RCOO-离子吸附在在氧化物颗粒程度加强,其他自由分散剂进入液相,此时总浆料只遵循静电稳定机制。微观结构的均匀分布是受良好分散的总浆料的直接影响,从而产生卓越的电气性能。2.制备了不同Cr2O3含量的压敏电阻。研究结果表明,随着配方中Cr2O3含量降低,微观结构中的平均晶粒尺寸略微上升。这是因为Cr2O3生成的尖晶石含量降低,晶粒长大。C1配方为基础配方,但存在漏流高,压比差的问题。在C1配方的基础上,略微降低Cr2O3含量,电学性能得以改善。当Cr2O3含量为0.2mol%或0mol%,电学性能最佳。C4电位梯度300.24V/mm,漏流10μA,压比1.682,非线性系数20.65。C5电位梯度285V/mm,漏流4.6μA,压比1.671,非线性系数23.17。3.制备了不同Sb2O3含量的压敏电阻。研究结果表明,随着Sb2O3掺杂量升高,平均晶粒尺寸下降,这是因为Sb2O3生成的尖晶石含量增多,晶粒生长受到阻碍,使得晶粒与晶界层分布均匀,晶界势垒上升。当Sb2O3含量为1.0mol%时,综合电气性能最佳,D2电位梯度233V/mm,漏流4μA,压比1.721,非线性系数24.51。4.制备了不同Cr2O3/SiO2摩尔比比的压敏电阻。研究结果表明,随着Cr2O3/SiO2比升高,Cr2O3含量升高,SiO2含量降低,但添加剂配方中SiO2在所有金属氧化物中所占摩尔百分比大于Cr2O3所占摩尔百分比,所以SiO2含量降低对电阻片的影响远大于Cr2O3含量增加造成的影响。因此,Cr2O3/SiO2比升高,SiO2与ZnO生成的尖晶石含量减少,无法起到抑制晶粒生长作用,平均晶粒尺寸变大。且随着Cr2O3/SiO2比升高,针孔等缺陷减少。综合电气性能与老化性能,Cr2O3/SiO2比为0.59:2.13制备的E2的电学性能最佳。E2电位梯度327.9V/mm,漏流0μA,压比1.62,非线性系数57.09,KCT0.97,可用于接下来探索不同烧结温度与非线性电阻性能的关系。5.在E2基础上制备了不同烧结温度的压敏电阻。研究结果表明,随着烧结温度降低,低熔点玻璃相物质挥发减少,导致针孔率下降。随着温度继续降低,不利于晶粒生长与烧结致密化,针孔率上升。当烧结温度为1155℃时,综合电气性能最佳,F3电位梯度329.9V/mm,漏流0μA,压比1.66,非线性系数65.1,KCT0.93,250A 2ms方波通过率为100%,可用于高梯度大通流电阻片进一步研究。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM54;TQ132.41
【图文】：

曲线,压敏电阻,曲线,势垒高度

士学位论文、背对背势垒高度、能量吸收与浪涌耐受能力、在长期运行条零偏压下的双肖特基势垒高度还取决于发生在横跨晶界处晶粒这归因于每个晶粒中的缺陷浓度[7,10,11]。晶界势垒导致在非线渐变小。主要的固有缺陷浓度，在每个 ZnO 晶粒中出现不对称的费米。这种不对称的费米能级引发跨越晶界的势垒高度的改变。[23]也可能不被排除。无论测量工具的准确性和置信度如何，这测量势垒高度时出现轻微差异。这是因为势垒的一侧的能带边。因此，势垒高度的测量极化或极性依赖于归因于跨晶界的不尽管如此，给定偏压下的对称势垒可由 I-V 曲线反映出。

区域图,电流密度,电场,区域

α =log 2log 1=ln 2ln 1(1-3)由公式 1-3 计算得到。公式 1-1 中值可以用电流密度 J 和电I 和电压 V 计算得到。一般来说，电压值取 1mA 与 0.1mA 下可以看出，典型的 I-V 曲线(E-J 曲线)描述了三个不同的区域：性区、(c)翻转区。因为热激电流导电机制影响，外加电压下，，电阻很高；由于隧道电流导电机制影响，非线性区随着外加流急剧上升；翻转区中，非线性电阻中的晶界层导通，晶粒电敏电阻的 I-V 特性。是将 E-J 曲线中的非线性区域作为单独区域重点描述[1,2]。如极性相反时，曲线十分对称。研究表明，性能优异的 ZnO 压敏具有两个可区分的区域。因此， I-V 特性表现出以电流密度 1四个不同的区域[7,10,11]。

示意图,偏压,双肖特基势垒,零偏压

可提高 ZnO 压敏电阻性能，尤其是老化能力。图1-3是零偏压和其他两种跨晶粒间偏压方式的能带图表示晶界势垒的示意图。因为耗尽层使得能带弯曲，被捕获的电子在晶界中充当负电荷，晶界两侧晶粒表层充满带正电荷的施主能级。晶粒表层到内部某一深度带正电荷区域形成了耗尽区。受正电荷影响，整个晶界区域的势垒发生变化构成了双肖特基势垒（DSB）。耗尽层的肖特基势垒高度和宽度可以通过基于晶界电荷密度和晶粒中载流子浓度的泊松方程来计算。如果非线性电阻的微观结构良好，势垒高度在 0.5到 0.8eV 之间变化[15,16]。典型的捕获横截面在 10-21到 10-14cm2之间变化，表明压敏电阻中的电子陷阱[11]。这些陷阱被认作是在交流小信号电压下电场在耗尽区下降。捕获截面的变化确实表明对于每个捕获截面的陷阱密度的类型是频率相关的[11]。图 1-3 晶界处的双肖特基势垒：零偏压或没有偏压；b 有偏压；c 有高偏压，有隧道电流Fig.1-3 Double Schottky barrier at the grain boundary at: a zero bias or without bias, b withbias, and c high bi

【参考文献】