SnO2-Zn2SnO4復(fù)合陶瓷的電學(xué)非線性和高介電性質(zhì)研究.pdf

1、由于在電子設(shè)備方面的潛在應(yīng)用，具有特殊功能的電子陶瓷越來越受科研工作者的關(guān)注。作為電子陶瓷的一種，壓敏陶瓷的基本功能是限制和感知瞬態(tài)浪涌。因此，壓敏陶瓷常被用來保護(hù)電子線路免受破壞。目前，應(yīng)用最廣泛的壓敏陶瓷材料有ZnO、TiO2、SrTiO3。然而，ZnO系壓敏陶瓷相對(duì)介電常數(shù)較低，很難用來保護(hù)微電子設(shè)備。SrTiO3系壓敏陶瓷制備過程復(fù)雜，電學(xué)性能相對(duì)不穩(wěn)定，易老化。TiO2系壓敏陶瓷成分復(fù)雜，且需要施主摻雜。目前，在電器設(shè)計(jì)中要求

2、壓敏陶瓷性能更好，功能更多，例如，具有低的壓敏電壓和高的相對(duì)介電常數(shù)。目前，科學(xué)工作者主要研究的高介電壓敏材料有 TiO2、SrTiO3、CaCu3Ti4O12。2005年，Zang等人發(fā)現(xiàn)SnO2-Zn2SnO4復(fù)合陶瓷具有較低的壓敏電壓和較高的相對(duì)介電常數(shù)。然而，至今燒結(jié)溫度對(duì)SnO2-Zn2SnO4復(fù)合陶瓷電學(xué)特性的影響，以及SnO2-Zn2SnO4復(fù)合陶瓷勢(shì)壘形成機(jī)制、介電特性和壓敏特性仍不十分清楚。本論文對(duì)以上SnO2-Zn2

3、SnO4復(fù)合陶瓷存在的問題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。本文通過對(duì)SnO2-Zn2SnO4復(fù)合陶瓷電學(xué)性質(zhì)的研究發(fā)現(xiàn)：SnO2-Zn2SnO4復(fù)合陶瓷具有壓敏-電容雙功能；通過控制Zn2SnO4的含量和燒結(jié)溫度，可以調(diào)控 SnO2-Zn2SnO4復(fù)合陶瓷的壓敏特性和介電特性。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，SnO2-Zn2SnO4復(fù)合陶瓷晶粒減小，是導(dǎo)致 SnO2-Zn2SnO4復(fù)合陶瓷壓敏電壓增高的主要原因；SnO2-Zn2SnO4復(fù)合陶瓷電學(xué)非線性主要源于晶界

4、勢(shì)壘；SnO2-Zn2SnO4復(fù)合陶瓷低頻下高介電起源與氧空位有關(guān)。
　　第一章首先對(duì)電子陶瓷的分類、特點(diǎn)、應(yīng)用以及發(fā)展趨勢(shì)做了基本概述。隨后又對(duì)壓敏陶瓷的性能參數(shù)和壓敏材料的研究現(xiàn)狀做了概述。壓敏陶瓷的性能參數(shù)主要有壓敏電壓、非線性系數(shù)、漏電流等。其中，壓敏陶瓷的應(yīng)用范圍由壓敏電壓決定；非線性性能的高低由非線性系數(shù)決定；壓敏陶瓷工作時(shí)的穩(wěn)定性由漏電流決定。
　　第二章對(duì)不同含量Zn2SnO4的SnO2-Zn2SnO4復(fù)合陶

5、瓷電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著 Zn2SnO4含量的增加，(1-x)SnO2-xZn2SnO4復(fù)合陶瓷的壓敏電壓先減小后增大，在x=0.13時(shí)達(dá)到了最小值。室溫條件下，樣品的勢(shì)壘高度約為0.8eV，其數(shù)值幾乎不隨Zn2SnO4含量的增加而改變。此外，SnO2-Zn2SnO4復(fù)合陶瓷的相對(duì)介電常數(shù)較大，介電損耗較大。在第二章的基礎(chǔ)上，研究了燒結(jié)溫度對(duì) SnO2-Zn2SnO4復(fù)合陶瓷電學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)溫度可調(diào)控SnO2-

6、Zn2SnO4復(fù)合陶瓷的電學(xué)性能，SnO2-Zn2SnO4復(fù)合陶瓷的最佳燒結(jié)溫度為1400℃。在最佳燒結(jié)溫度條件下，SnO2-Zn2SnO4復(fù)合陶瓷的壓敏電壓最低，微觀結(jié)構(gòu)較為均勻。燒結(jié)溫度過高時(shí)，樣品的表面出現(xiàn)大量的氣孔，而這些氣孔會(huì)導(dǎo)致SnO2-Zn2SnO4復(fù)合陶瓷電學(xué)性能變差。此外，在電模量虛部頻譜中出現(xiàn)了介電弛豫峰，該介電弛豫與氧空位有關(guān)。
　　第四章研究了SnO2-Zn2SnO4復(fù)合陶瓷壓敏和低頻下高介電起源。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)

7、，在室溫和低頻條件下，樣品的相對(duì)介電常數(shù)隨偏壓的增加而急劇減小。電模量虛部頻譜中出現(xiàn)了介電弛豫峰，且峰的位置隨偏壓的增加而不移動(dòng)。陶瓷樣品中存在大量的弱束縛電荷，而這些弱束縛電荷與氧空位有關(guān)。樣品低頻下介電特性與氧空位有關(guān)。在第四章的基礎(chǔ)上，研究了熱處理對(duì)SnO2-Zn2SnO4復(fù)合陶瓷壓敏和介電特性的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，熱處理前，樣品具有較好的電學(xué)非線性(α=5.5)、較低的壓敏電壓(E1.0=7.4 V/mm)、較大的介電常數(shù)(40Hz

8、,40℃,εr=2×104)。真空熱處理后，樣品的介電和電學(xué)特性出現(xiàn)了退化。在大氣中熱處理后，樣品的電學(xué)特性得到了恢復(fù)，而高介電特性沒有恢復(fù)。樣品低頻下介電特性與氧空位有關(guān)。
　　第六章對(duì)本文工作進(jìn)行了總結(jié)和展望。第一次從根本上解釋了SnO2-Zn2SnO4復(fù)合陶瓷壓敏特性、低頻下高介電特性、勢(shì)壘形成以及晶粒半導(dǎo)化的原因。本文認(rèn)為適量的Zn2SnO4含量以及最佳的燒結(jié)溫度可有效調(diào)控SnO2-Zn2SnO4復(fù)合陶瓷的電學(xué)特性。首次發(fā)