ZnO壓敏陶瓷的研究進(jìn)展及發(fā)展前景

王先龍

摘 要：本文敘述了ZnO壓敏陶瓷材料的最新研究進(jìn)展，闡述了它的非線性伏安特性，并對該特性作用機(jī)理進(jìn)行了微觀解析，概述了ZnO壓敏陶瓷材料的發(fā)展趨勢，并對發(fā)展中遇到的問題提出了建議和解決措施。

關(guān)鍵詞：ZnO；壓敏陶瓷；壓敏材料；非線性伏安特性

1 引言

壓敏材料是指在某一特定電壓范圍內(nèi)材料的電阻值隨加于其上電壓不同而發(fā)生顯著變化的具有非線性歐姆特性的電阻材料，其中以ZnO壓敏陶瓷材料的特性最佳。ZnO是一種新型的功能陶瓷，具有優(yōu)良的非線性伏安特性、極好的吸收浪涌電壓、響應(yīng)速度快、漏電流小等優(yōu)點[1]，被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、軍工設(shè)備、通訊設(shè)備和家庭生活等許多方面。它作為保護(hù)元件在過壓保護(hù)上發(fā)揮著越來越重要的作用，因此加強對ZnO壓敏陶瓷的深入開發(fā)研究具有重要的現(xiàn)實意義。

2 ZnO壓敏陶瓷研究現(xiàn)狀

自1968年日本松下公司報道以來，ZnO壓敏陶瓷因其優(yōu)異的壓敏特性引起了廣泛關(guān)注，如今已然成為高新技術(shù)領(lǐng)域半導(dǎo)體陶瓷發(fā)展的重要一極。經(jīng)過眾多科研工作者近50年堅持不懈的探索，在配方、制作工藝、形成機(jī)理及伏安特性的微觀解析等方面都進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，從而全面提升了ZnO壓敏陶瓷的綜合性能。同時還總結(jié)出了大量適用于工業(yè)生產(chǎn)的制作工藝，擴(kuò)展了使用范圍。

在世界范圍內(nèi)，日本生產(chǎn)的功能陶瓷產(chǎn)品占有絕對優(yōu)勢，歐美國家也占有相當(dāng)?shù)氖袌龇蓊~。與這些發(fā)達(dá)國家相比，我國對功能陶瓷的研究、生產(chǎn)及應(yīng)用開始得較晚，在配方、生產(chǎn)工藝、過程控制及產(chǎn)品性能等方面存在較大差距（例如：高純超細(xì)粉料制備技術(shù)；先進(jìn)裝備及現(xiàn)代化檢測手段；組分設(shè)計、晶界相與顯微結(jié)構(gòu)控制；新材料、新工藝與新應(yīng)用的探索[2]），尤其是在產(chǎn)業(yè)化方面更甚。近二十年，在現(xiàn)代科技的推動下功能陶瓷技術(shù)迅速發(fā)展，我國功能陶瓷的生產(chǎn)企業(yè)已具有一定的規(guī)模（如珠海粵科京華功能陶瓷有限公司，淄博安德浩工業(yè)陶瓷公司等企業(yè)），但還存在基礎(chǔ)研究投入不足，關(guān)鍵性的研究基礎(chǔ)仍較薄弱，創(chuàng)新能力不足，缺乏生產(chǎn)高端產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)等問題。在世界經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和我國供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的情況下，我國的功能陶瓷產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨著巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

3 ZnO壓敏陶瓷的伏安特性

3.1 ZnO壓敏陶瓷非線性I-V特性

在正常工作范圍內(nèi)，ZnO壓敏陶瓷的I-V關(guān)系可以表示為：

I=（V/C）α （1）

其中，I為通過壓敏電阻的電流，V為通過的壓敏電阻器兩端的電壓，C為材料常數(shù)，α為非線性系數(shù)，它是描述壓敏電阻器非線性強弱的物理量，是評價ZnO 壓敏電阻好壞的重要指標(biāo)。

由（1）式可知，α值越大，I-V之間非線性越強，ZnO壓敏陶瓷的性能就越強。但α不是一個常數(shù)，當(dāng)壓敏電流在1 mA附近工作時，壓敏電阻器α值可達(dá)到最大值（可達(dá)到50以上），此時為壓敏電阻器的工作區(qū)域。

3.2 ZnO壓敏陶瓷非線性I-V特性形成機(jī)理解析

ZnO壓敏陶瓷是一種電阻值對外加電壓敏感的電子元器件，其伏安特性呈非線性，實際制作的ZnO壓敏陶瓷的伏安特性曲線如圖1所示。

Ⅰ區(qū)常被稱作預(yù)擊穿區(qū)，電流密度在0～0.1 mA/cm2范圍，ZnO壓敏陶瓷U-I關(guān)系呈現(xiàn)純電阻特征，且呈高值性。Ⅱ區(qū)被稱作擊穿區(qū)，電流密度在此區(qū)域急速上升，在電壓幾乎沒有變化的情況下，電流密度甚至?xí)?06～107數(shù)量級的變化。電流上升速度越快，電壓上升速度越慢，該區(qū)域的 I-V 曲線越平坦，非線性就越好。該區(qū)域是ZnO壓敏陶瓷的核心區(qū)域，也是其工作區(qū)域。Ⅲ區(qū)被稱作回升區(qū)，此區(qū)域的電流密度大于103 A/cm2，電壓隨電流密度的升高而增大，非線性系數(shù)慢慢降低直至消失。在該區(qū)域ZnO壓敏陶瓷非線性變差，逐漸呈現(xiàn)純電阻特征，此時阻值較與預(yù)擊穿區(qū)時的阻值相比低很多[3-4]。

ZnO壓敏陶瓷的非線性I-V特性取決于其燒結(jié)體的晶界特性，ZnO屬六方晶系結(jié)構(gòu)，Zn和O都是按四面體方式成鍵，晶體結(jié)構(gòu)開放，容易引入雜質(zhì)。摻入 Bi2O3及其他過渡金屬氧化物制成的ZnO壓敏陶瓷電子元器件具有優(yōu)良的非線性 I-V特性，其電阻值通過控制電壓可變化1010倍以上。有研究表明，Bi2O3的作用主要是形成氧從外向內(nèi)擴(kuò)散的通路，而過渡金屬氧化物則形成各種雜質(zhì)受主態(tài)[5]，摻雜作用使得ZnO半導(dǎo)體陶瓷的晶界產(chǎn)生大量的缺陷而形成深的陷阱能級，造成ZnO晶界兩端表面能帶彎曲，晶界兩端各有一耗盡層，形成雙肖特基勢壘，添加劑陽離子在晶界表面形成受主表面態(tài)[6]。

4 ZnO壓敏陶瓷發(fā)展前景

孫洪波，邱玉平等人[9]認(rèn)為，實現(xiàn)電子器件小型化集成化的關(guān)鍵之一是膜結(jié)構(gòu)的壓敏電阻的使用，業(yè)界對ZnO膜結(jié)構(gòu)材料的研究主要集中在薄膜、厚膜和復(fù)合膜三方面，低電位、高非線性系數(shù)的ZnO壓敏薄膜和高電位梯度、高非線性系數(shù)的ZnO壓敏厚膜是未來一個重點研究的方向。董顯林[10]研究表明復(fù)合化、多功能化、低維化、智能化和設(shè)計、材料、工藝一體化應(yīng)是全球功能陶瓷行業(yè)的發(fā)展趨勢，其研究會進(jìn)入納米技術(shù)領(lǐng)域，進(jìn)而發(fā)展到智能材料階段，它是廣大研究者技術(shù)創(chuàng)新、制備工藝創(chuàng)新發(fā)展及社會需求的必然結(jié)果。

隨著功能陶瓷行業(yè)的高速發(fā)展，ZnO壓敏陶瓷作為一種高新技術(shù)關(guān)鍵材料在全球范圍內(nèi)受到廣泛關(guān)注，其本身的消費市場空間潛力巨大。我國一直高度重視對功能陶瓷材料的研究，在新材料技術(shù)時期將向材料結(jié)構(gòu)功能復(fù)合化、功能材料智能化、材料與器件集成化、制備和使用過程綠色化方向發(fā)展。近期國外的高性能、高梯度ZnO閥片和新型SnO2壓敏材料的研究受到業(yè)界廣泛關(guān)注，國內(nèi)無論是低壓ZnO壓敏電阻和高壓ZnO閥片還是多層片式ZnO壓敏電阻器的研發(fā)均取得了突出的進(jìn)展[7-8]。從現(xiàn)有的技術(shù)發(fā)展趨勢及滿足市場需求分析，以科學(xué)院、高校及企業(yè)為聯(lián)合體，預(yù)計我國在功能陶瓷行業(yè)在今后5～10年內(nèi)將會有較大的技術(shù)突破，功能陶瓷行業(yè)前景廣闊。

5 改進(jìn)措施和建議

隨著功能陶瓷材料的迅速發(fā)展，ZnO壓敏陶瓷材料已經(jīng)成為光電技術(shù)等眾多高新技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)材料。針對現(xiàn)階段存在的問題，為進(jìn)一步推動我國ZnO壓敏陶瓷產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，有以下改進(jìn)措施和建議：

（1） 重點突出。我國在高新技術(shù)研究方面有自身的優(yōu)勢，應(yīng)發(fā)揮所長，將研究的重點與國家發(fā)展規(guī)劃綱要結(jié)合，整合優(yōu)勢資源，突出重點，強強聯(lián)合攻堅，縮小與國外的差距；

（2） 成果轉(zhuǎn)化。近年來我國功能陶瓷產(chǎn)業(yè)發(fā)展較緩慢，其主要原因之一是缺少對科研成果的轉(zhuǎn)化。研究成果不能及時工業(yè)化，形成規(guī)模生產(chǎn)，轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。要改變這一局面，應(yīng)從長遠(yuǎn)和全局出發(fā)，加大基礎(chǔ)研究投入力度，深化校企合作，建立穩(wěn)定合理的人才梯隊，建立長效激勵機(jī)制等措施；

（3） 創(chuàng)新。采用拿來主義，借鑒并吸收國外成功的經(jīng)驗技術(shù)，結(jié)合自身的優(yōu)勢特點，加強基礎(chǔ)，推陳出新，勇于創(chuàng)新。

6 結(jié)語

ZnO壓敏陶瓷材料具有變阻性，被廣泛使用于電力系統(tǒng)及通訊等眾多行業(yè)，發(fā)展前景廣闊。我國對ZnO壓敏陶瓷材料的研究起步較晚，目前雖然取得了一些研究成果，但與國際先進(jìn)水平相比仍然存在較大差距。因此，ZnO壓敏陶瓷材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展應(yīng)在國家扶持下，重點突出，勇于創(chuàng)新，努力實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化。

參考文獻(xiàn)

[1] 成鵬飛，劉漢臣，張曉軍.ZnO陶瓷的壓敏效應(yīng)及其起源[J].電磁避雷器，2013 （2）： 45～48.

[2] 徐翠艷，王文新，李成.半導(dǎo)體陶瓷的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].遼寧工學(xué)院學(xué)報，2005（4）：247～249.

[3] 謝杰.氧化鋅壓敏陶瓷制備及氧化釤摻雜改性研究[D].湖北：武漢工程大學(xué)，2013：8.

[4] 陳新崗，李凡，桑建平.ZnO壓敏陶瓷伏安特性的微觀解析[J].高電壓技術(shù)，2007 （4）：33～37.

[5] 成鵬飛，王玉平.于長豐.ZnO壓敏陶瓷勢壘高度的測量及其應(yīng)用[J].電磁避雷器，2010 （5）：29～32.

[6] 周健.氧化鋅基半導(dǎo)體材料電子陷阱形成及性能研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2006：4～5.

[7] 范積偉，夏良，張小立.新型壓敏陶瓷材料的研究與進(jìn)展[J].功能材料信息，2010（3）.

[8] 國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006～2020年）[Z]. http：//www.gov.cn/jrzg/2006-02/09/content_183787.html.

[9] 孫洪波，邱玉平.ZnO膜結(jié)構(gòu)材料的壓敏性能研究進(jìn)展[J].電磁避雷器，2012 （1）： 45～49.

[10] 董顯林.功能陶瓷研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢[J].中國科學(xué)院院刊，2003 （6） ：407～412.