ZPYSCC-nSiO2復合壓敏電阻性能研究

摘要：在燒結(jié)溫度為1 100 ℃條件下，研究了SiO2摻雜濃度對ZPYSCC-nSiO2復合壓敏電阻物相和壓敏性能的影響。實驗結(jié)果表明：隨著SiO2摻雜濃度增大，三強峰的衍射角逐漸減小;當SiO2摻雜濃度為0.01 mol時，非線性系數(shù)達到最大值68，此時壓敏電壓約為370 V/mm。

關鍵詞：復合壓敏電阻;SiO2摻雜;微觀結(jié)構(gòu);壓敏性能

0 引言

隨著外加電壓變化，通過的電流能夠發(fā)生顯著變化的電阻稱為電壓敏感電阻，簡稱壓敏電阻[1]。氧化鋅（ZnO）是一種寬禁帶半導體材料，應用十分廣泛[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)中的過電壓，保護系統(tǒng)的正常運行[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)過復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ZnO-Pr2O3-Y2O3-Sb2O3-Co2O3-Cr2O3（ZPYSCC）-nSiO2復合壓敏電阻性能的影響，包括物相分析、壓敏性能分析和機理分析。

1 實驗過程

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）進行分析，樣品的微觀結(jié)構(gòu)采用掃描電子顯微鏡進行觀察，復合壓敏電阻的壓敏性能用高壓源表測試。

2 實驗結(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ZPYSCC-

nSiO2復合壓敏電阻的XRD圖譜及部分放大結(jié)果。從測試結(jié)果可以看出，復合電阻的主晶相為鉛鋅礦結(jié)構(gòu)，同時還含有ZnCr2O4、ZnCo2O4、Zn7SbO12等新物相。新物相是在高溫條件下通過固相反應形成的，形成陶瓷后這些新物相會偏析于晶界，對電阻的壓敏性能產(chǎn)生影響。

同時，從圖1可以看出，隨著SiO2的摻雜濃度增大，ZPYSCC-

nSiO2復合壓敏電阻的三強衍射峰也會發(fā)生一定的位移，衍射角逐漸減小（三強衍射峰向左偏移）。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因與SiO2的摻入有關，SiO2可以促進陶瓷燒結(jié)過程中液相的形成，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ZPYSCC-nSiO2復合壓敏電阻的伏安特性曲線，即E-J特性關系曲線，其中復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，這與平均晶粒尺寸的先減小后增大的趨勢相反。由于施加到每一個晶粒上的電壓與晶粒的總數(shù)目相關，晶粒數(shù)目越多，平均晶粒尺寸越小，每個晶粒上的電壓越大，即壓敏電壓越大。當SiO2的摻雜濃度為0.01 mol時，高壓源表測得復合壓敏電阻的擊穿場強為370 V/mm，此時非線性系數(shù)達到最大值68。

3 燒結(jié)機理分析

在高溫環(huán)境下，氧化鋅和各種添加劑會發(fā)生十分復雜的燒結(jié)反應，在反應過程中添加劑離子會在氧化鋅晶格中進行復雜運動，并通過晶粒生長溶入到氧化鋅晶粒中，同時會有一部分離子運動到晶界，形成復雜的晶界相物質(zhì)。在氧化鋅晶格中同時存在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)過程中，這兩種離子的運動形式是截然不同的。

Bi離子的半徑較大，和ZnO晶格的差別也較大，其電負性也和O離子有很大差別，因此在燒結(jié)過程中Bi離子會向能量較低的晶界處運動，形成晶界相，例如，晶界的氧化鉍層就是通過這種方式形成的。Cr離子的半徑較小，且和Zn離子的半徑差別很小，其電負性也與Zn原子接近，在燒結(jié)過程中會被溶入到氧化鋅晶格中，對氧化鋅的晶格參數(shù)產(chǎn)生影響，XRD測試中復合壓敏電阻的衍射峰發(fā)生偏移就是由此產(chǎn)生。因此，在制備復合壓敏電阻陶瓷時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

本文研究了SiO2摻雜濃度對ZPYSCC-nSiO2復合壓敏電阻物相和壓敏性能的影響。隨著SiO2濃度增大，復合壓敏電阻的衍射角逐漸減小，當SiO2摻雜濃度為0.01 mol時，非線性系數(shù)達到最大值68，擊穿場強約為370 V/mm。根據(jù)燒結(jié)機理分析可知，復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)生實質(zhì)上是陶瓷燒結(jié)過程中離子運動的結(jié)果，不同離子的運動形式不同。與原晶格半徑、電負性差別較大的離子通常會運動到晶界處，對晶界的均勻性產(chǎn)生影響，與原晶格、電負性差別較小的離子通常會溶入原晶格內(nèi)部，對原晶格的晶格參數(shù)產(chǎn)生影響，使其衍射峰發(fā)生偏移。

[參考文獻]

[1] 王振林，李盛濤.氧化鋅壓敏陶瓷制造及應用[M].北京：科學出版社，2009.

[2] NAHMA C W.Effect of small changes in sintering temperature on varistor properties and degradation of V-Mn-Nb-Gd co-doped zinc oxide ceramic[J].Transaction of Nonferrous Metals Society of China，2015，25（4）：1176-1184.

[3] 陳永佳，劉建科.Bi2O3摻雜對ZnO壓敏電阻性能的影響及其機理[J].材料科學與工程學報，2019，37（6）：973-978.

收稿日期：2020-09-07

作者簡介：陳永佳（1991—），男，陜西西安人，助教，從事半導體電子器件的研究工作。