CaCO3、Fe2O3和CuO掺杂对ZnO压敏陶瓷电性能和微结构的影响

论文摘要

本文系统研究了CaCO3、Fe2O3和CuO掺杂对ZnO-Bi2O3-Sb2O3-Co2O3-MnO2-Cr2O3系压敏陶瓷的电性能的影响；测量了CaCO3、Fe2O3和CuO掺杂的ZnO-Bi2O3-Sb2O3-Co2O3-MnO2-Cr2O3系压敏陶瓷片的符合正电子湮没辐射的Doppler展宽谱；通过分析实验数据，研究并讨论掺入CaCO3、Fe2O3和CuO所引入的阳离子杂质对ZnO-Bi2O3-Sb2O3-Co2O3-MnO2-Cr2O3系压敏陶瓷电性能和微结构的影响的微观作用机理，实验结果如下：（1）随着掺杂CaCO3摩尔含量的增加，ZnO压敏陶瓷的压敏电压V1mA升高、漏电流减小、非线性系数增大；ZnO压敏陶瓷的Doppler展宽的商谱峰值减小。这可以解释为：在ZnO压敏陶瓷掺杂CaCO3时，Ca离子主要在晶界析出，固溶在ZnO晶粒边界形成固溶相颗粒，抑制晶粒增长，使ZnO晶粒减小，从而提高压敏电压，降低漏电流，增大非线性系数；同时由于掺杂CaCO3抑制了晶粒长大，增加了单位厚度的晶界数，促使陶瓷体中的微缺陷增多，从而使ZnO压敏陶瓷的Doppler展宽的商谱谱峰下降。（2）随Fe2O3掺杂量的增加，ZnO压敏陶瓷的压敏电压V1mA和非线性系数先下降，后升高，最小值出现在Fe2O3摩尔掺杂量为1．00％；而漏电流和Doppler展宽的商谱谱峰先升高，后降低，最大值也出现在Fe2O3摩尔掺杂量为1．00％。产生这些变化的原因是：Fe2O3掺杂量较少，未超过1．00％时，Fe2O3主要固溶至ZnO晶格，形成施主杂质，增加载流子浓度，增大漏电流，降低压敏电压，减小非线性系数；同时由于Fe的核外高动量电子比Zn的核外高动量电子多，Fe2O3固溶至ZnO晶格时，增加了高动量电子密度，引起ZnO压敏陶瓷的Doppler展宽的商谱谱峰升高。当Fe2O3掺杂量超过1．0％时，Fe2O3大量形成绝缘的Zn7Sb2O12-ZnFe2O4固溶体，存在于晶界中，从而促使压敏电压和非线性系数增大，而漏电流和Doppler展宽商谱的谱峰降低。（3）随着掺杂CuO摩尔含量的增加，ZnO压敏陶瓷的压敏电压V1mA和漏电流IL升高、非线性系数减小；ZnO压敏陶瓷的Doppler展宽的商谱峰值升高。这主要是由于：CuO高温分解形成Cu+，并取代ZnO的Zn2+离子，形成取代固溶体，减小了ZnO晶粒中的施主载流子浓度，增加了晶粒的电阻，从而导致压敏电压升高，非线性系数减小。同时由于Cu原子的核外高动量电子比Zn核外高动量电子多，与正电子的湮没几率要大，而掺杂CuO所引入的阳离子取代ZnO晶粒中的Zn2+生成取代固溶体，增加了陶瓷体中的高能高动量电子浓度，引起商谱谱峰增高。漏电流增大可能是由于Cu在晶界中表现为施主行为引起的。（4）掺杂1.00％摩尔Fe2O3的Zn压敏陶瓷的商谱峰值比掺杂1．00％摩尔CuO的商谱谱峰高，而Fe的商谱谱峰比Cu的商谱谱峰低。出现这一现象的主要原因是：虽然Cu的高动量电子比Fe多，但将掺杂量均为1．00％摩尔Fe2O3或CuO加入到ZnO压敏陶瓷中，加入的Fe绝大部分形成取代固溶体，增加高动量电子密度，对商谱谱峰升高有贡献；而加入的Cu只有形成取代固溶体的那部分对商谱谱峰有贡献，另一部分Cu在晶界固溶，增加了微缺陷，降低了商谱谱峰。（5）由Doppler展宽谱研究分析得到的掺杂CaCO3、Fe2O3和CuO分别在ZnO-Bi2O3-Sb2O3-Co2O3-MnO2-Cr2O3系压敏陶瓷中引起的微结构变化的结果和由电性能分析得到的结果相符。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 ZnO压敏陶瓷
• 1.2.1 氧化锌晶格的结构
• 1.2.2 ZnO的能带结构
• 1.2.3 ZnO压敏陶瓷的基本特性
• 1.2.4 ZnO压敏陶瓷的导电机理
• 1.3 ZnO压敏陶瓷中添加剂的作用
• 1.3.1 添加剂类型
• 1.3.2 添加剂对电性能影响的作用机理
• 1.3.3 ZnO压敏电阻典型配方中各氧化物的对有关性能的影响
• 1.4 ZnO压敏陶瓷的研究现状
• 1.5 本课题的研究方法、内容和意义
• 第二章 正电子湮没谱学研究方法
• 2.1 正电子谱学的发展概况
• 2.2 正电子湮没谱学的基本理论
• 2.2.1 正电子湮没过程
• 2.2.2 正电子湮没率与电子密度
• 2.2.3 正电子捕获模型
• 2.2.4 正电子湮没Doppler展宽谱和角关联谱与电子动量
• 2.3 正电子湮没多普勒展宽谱测量
• 2.3.1 多普勒展宽谱仪
• 2.3.2 多普勒展宽谱线形参数
• 第三章 实验方法
• 3.1 引言
• 3.2 实验设备
• 3.3 实验样品的制备
• 3.4 电性能和微观组织结构测试
• 第四章 Ca、Fe、Cu掺杂对ZnO压敏变阻器电性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 Ca掺杂对ZnO压敏变阻器电性能的影响
• 4.2.1 电性能测试结果
• 4.2.2 结果分析与讨论
• 4.3 Fe掺杂对ZnO压敏变阻器电性能的影响
• 4.3.1 电性能测试结果
• 4.3.2 结果分析与讨论
• 4.4 Cu掺杂对ZnO压敏变阻器电性能的影响
• 4.4.1 电性能测试结果
• 4.4.2 结果分析与讨论
• 4.5 小结
• 第五章 ZnO压敏陶瓷的符合正电子湮没辐射Doppler展宽谱研究
• 5.1 引言
• 5.2 Ca掺杂ZnO压敏陶瓷的符合正电子湮没辐射Doppler展宽研究
• 5.2.1 实验结果
• 5.2.2 分析与讨论
• 5.3 Fe掺杂ZnO压敏陶瓷的符合正电子湮没辐射Doppler展宽研究
• 5.3.1 实验结果
• 5.3.2 分析与讨论
• 5.4 Cu掺杂ZnO压敏陶瓷的符合正电子湮没辐射Doppler展宽谱研究
• 5.4.1 实验结果
• 5.4.2 分析与讨论
• 5.5 掺杂等量不同物质对ZnO系压敏陶瓷的Doppler展宽谱研究
• 5.5.1 实验结果
• 5.5.2 分析与讨论
• 5.6 小结
• 第六章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间完成论文情况