受主掺杂对SnO2多晶材料压敏性质的影响

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1、山东大学博士学位论文摘要自从1969年发现ZnO压敏材料以后，人们对ZnO压敏材料进行了广泛、深入的研究，到八十年代中后期，ZnO压敏材料的应用开发目渐成熟。但由于ZnO压敏材料包含多相结构，它的温度稳定性和老化问题一直没有得到根本的改善。1995年s．A，Pianaro等人首次发现Sn02压敏材料。用X射线粉末衍射谱分析表明，与ZnO压敏材料复杂的多相结构迥然不同，Sn02压敏材料只有一种相结构，具有较好的稳定性，而且在非线性电学性能提高方面也表现出很大的潜力。但目前对这类压敏材料实验_耜理论研究还不充分，本论文的主要目的就是通过实验研究S

2、n02压敏材料的性质，以加深对Sn02压敏材料本质的认识。第一章首先对压敏电阻的性能参数和理论发展情况作了一骰性的概述。压敏电阻最主要的电学性质是其电流电压关系的非线性，这种关系可分为低电流线性区、非线性区、高电流翻转区三个区域。非线性系数是描述压敏电阻性能最重要的参数，压敏电阻其它重要的特性参数还有非线性电场、漏电流、介电常数和通流容量等。砖块模型是在微观角度上对压敏材料多晶结构的几何简化模型。金红石结构是SnOz的稳定结构，属四方晶系，简单四方点阵。在ZnO压敏材料中，晶界层中的空电子态吸收ZnO晶粒表层中的电子而形成耗尽层和晶界缺陷势垒

3、是产生压敏特性的原因。在Sn02压敏材料中，Sn02晶粒表面的吸附氧也可以提供许多空电子态，形成与ZnO压敏材料晶界层相似的量子态结构。第二章系统地研究7Cr203掺杂对Sn02"C0203"Nb205多晶材料压敏性质的影响。对于同一配方的样品，非线性电场随烧结温度升高而降低，介电常数随烧结温度升高而增大，这是由于平均晶粒尺寸随烧结温度的升高而增大所导致。对于同一温度下烧结的样品，随Cr_,03掺杂量的增加，平均晶粒尺寸的单调减小导致非线性电场、电阻率单调增加和介电常数单调降低。这些现象与Cr203掺杂对晶粒生长和晶界形成的影响密切褶关。随着

4、Cn03掺杂量或烧结温度的变化，晶界势垒高度的变化规律与非线性系数的变化规律基本一致，所以非线性系数与势垒高度关系很密切。本文首次报道TCr203掺杂量高于0．05m01％的Sn02·C0203"Nb205多晶材料具有很好的压敏性质。并且首次发现非线性系数的峰值随烧结温度的提高向Cr203掺杂量较高方向移动的现象。烧结温度为1300"(2时，口峰值点在不高于005m01％Cr203处：烧结温度为1350"C时，口峰值点在0．06m01％Cr203处，峰值为52；当烧山东大学博士学位论文结温度升至1400。C时，口峰值点移NO．065m01％C

5、r203处，峰值高达69。在Sn02压敏材料中，高达69的非线性系数还未见文献报道。第二章还讨论了压敏电阻的等效阻抗问题。先将压敏电阻的等效阻抗简化为晶粒的等效阻抗，然后根据晶粒的等效电路模型进行了定性分析。定性分析的结果与样品的复阻抗频谱图相符。通过对压敏材料的复阻抗频谱分析，可以测量出材料的晶界电阻与晶粒电阻。通过对等效电路的分析，还定性地解释了压敏材料的介电常数与平均晶粒尺寸的关系。第三章研究了Sc203对Sn02"C0203．Nb205系压敏电阻性能的影响，并偏重于对微观结构和成瓷过程的分析。研究发现所有样品的成瓷性都很好，致密度都很

6、高。对于1350。C下烧结的样品，非线性系数峰值出现在0．06m01％Sc203处，峰值为17．1，而对于1400"C下烧结的样品，非线性系数峰值出现在O．09m01％或更高的Sc203掺杂量处。随Sc203掺杂量的升高，非线性电场增加r介电常数降低，平均晶粒尺寸减小。非线性电场的增加和介电常数的减小与样品平均晶粒尺寸的减小密切相关。首次使用高分辨率透射电镜(HRTEM)对多晶材料晶界处的相结构进行分析。在HRTEM的晶格相结构图和电子衍射斑点图中，都未在晶界处发现第二种相结构。首次通过对HRTEM图片和SEM图片的综合分析，推测出晶粒生长过

7、程的一种可能：掺杂物质在晶粒表层处的替位反应加速了Sn02晶粒表面的Sn4+离子在系统内部的输运过程：这种离子输运过程大量地发生，导致晶粒形状的变化或晶界的移动，也促进了晶界的形成：在相邻不同晶向的晶粒表面，跨越晶界的离子输运过程会不平衡，从而造成晶界的移动；当晶界的移动完全跨越其中的一个晶粒时，就完成了两个晶粒的融合生长过程。若过多的受主掺杂物聚积在两个晶粒中间，就会阻碍离子跨越晶界的输运过程，从而阻碍相邻sn02晶粒的融合生长。不同的掺杂物质，其本身性质不同，对Sn02晶粒中离子输运过程的作用和影响也不同，所以掺杂成分对晶粒的生长和晶界的

8、形成起很关键的作用。另外，晶粒的表面张力对压敏材料的生长过程和收缩致密也起很重要的作用。第四章研究了In203对Sn02·C0203-Nb205系压敏电阻性能的影响