SnO2-Zn2SnO4复合陶瓷的电学非线性和高介电性质研究

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由于在电子设备方面的潜在应用,具有特殊功能的电子陶瓷越来越受科研工作者的关注。作为电子陶瓷的一种,压敏陶瓷的基本功能是限制和感知瞬态浪涌。因此,压敏陶瓷常被用来保护电子线路免受破坏。目前,应用最广泛的压敏陶瓷材料有ZnO、TiO2、SrTiO3。然而,ZnO系压敏陶瓷相对介电常数较低,很难用来保护微电子设备。SrTiO3系压敏陶瓷制备过程复杂,电学性能相对不稳定,易老化。TiO2系压敏陶瓷成分复杂,且需要施主掺杂。目前,在电器设计中要求压敏陶瓷性能更好,功能更多,例如,具有低的压敏电压和高的相对介电常数。目前,科学工作者主要研究的高介电压敏材料有 TiO2、SrTiO3、CaCu3Ti4O12。2005年,Zang等人发现SnO2-Zn2SnO4复合陶瓷具有较低的压敏电压和较高的相对介电常数。然而,至今烧结温度对SnO2-Zn2SnO4复合陶瓷电学特性的影响,以及SnO2-Zn2SnO4复合陶瓷势垒形成机制、介电特性和压敏特性仍不十分清楚。本论文对以上SnO2-Zn2SnO4复合陶瓷存在的问题进行了系统的研究。本文通过对SnO2-Zn2SnO4复合陶瓷电学性质的研究发现:SnO2-Zn2SnO4复合陶瓷具有压敏-电容双功能;通过控制Zn2SnO4的含量和烧结温度,可以调控 SnO2-Zn2SnO4复合陶瓷的压敏特性和介电特性。进一步研究发现,SnO2-Zn2SnO4复合陶瓷晶粒减小,是导致 SnO2-Zn2SnO4复合陶瓷压敏电压增高的主要原因;SnO2-Zn2SnO4复合陶瓷电学非线性主要源于晶界势垒;SnO2-Zn2SnO4复合陶瓷低频下高介电起源与氧空位有关。  第一章首先对电子陶瓷的分类、特点、应用以及发展趋势做了基本概述。随后又对压敏陶瓷的性能参数和压敏材料的研究现状做了概述。压敏陶瓷的性能参数主要有压敏电压、非线性系数、漏电流等。其中,压敏陶瓷的应用范围由压敏电压决定;非线性性能的高低由非线性系数决定;压敏陶瓷工作时的稳定性由漏电流决定。  第二章对不同含量Zn2SnO4的SnO2-Zn2SnO4复合陶瓷电学性质进行了研究。实验发现,随着 Zn2SnO4含量的增加,(1-x)SnO2-xZn2SnO4复合陶瓷的压敏电压先减小后增大,在x=0.13时达到了最小值。室温条件下,样品的势垒高度约为0.8eV,其数值几乎不随Zn2SnO4含量的增加而改变。此外,SnO2-Zn2SnO4复合陶瓷的相对介电常数较大,介电损耗较大。在第二章的基础上,研究了烧结温度对 SnO2-Zn2SnO4复合陶瓷电学性能的影响。实验发现,烧结温度可调控SnO2-Zn2SnO4复合陶瓷的电学性能,SnO2-Zn2SnO4复合陶瓷的最佳烧结温度为1400℃。在最佳烧结温度条件下,SnO2-Zn2SnO4复合陶瓷的压敏电压最低,微观结构较为均匀。烧结温度过高时,样品的表面出现大量的气孔,而这些气孔会导致SnO2-Zn2SnO4复合陶瓷电学性能变差。此外,在电模量虚部频谱中出现了介电弛豫峰,该介电弛豫与氧空位有关。  第四章研究了SnO2-Zn2SnO4复合陶瓷压敏和低频下高介电起源。实验发现,在室温和低频条件下,样品的相对介电常数随偏压的增加而急剧减小。电模量虚部频谱中出现了介电弛豫峰,且峰的位置随偏压的增加而不移动。陶瓷样品中存在大量的弱束缚电荷,而这些弱束缚电荷与氧空位有关。样品低频下介电特性与氧空位有关。在第四章的基础上,研究了热处理对SnO2-Zn2SnO4复合陶瓷压敏和介电特性的影响。实验发现,热处理前,样品具有较好的电学非线性(α=5.5)、较低的压敏电压(E1.0=7.4 V/mm)、较大的介电常数(40Hz,40℃,εr=2×104)。真空热处理后,样品的介电和电学特性出现了退化。在大气中热处理后,样品的电学特性得到了恢复,而高介电特性没有恢复。样品低频下介电特性与氧空位有关。  第六章对本文工作进行了总结和展望。第一次从根本上解释了SnO2-Zn2SnO4复合陶瓷压敏特性、低频下高介电特性、势垒形成以及晶粒半导化的原因。本文认为适量的Zn2SnO4含量以及最佳的烧结温度可有效调控SnO2-Zn2SnO4复合陶瓷的电学特性。首次发现了与氧空位有关的介电弛豫现象,并对其进行了解释。认为氧空位是SnO2-Zn2SnO4复合陶瓷低频下高介电起源、势垒形成以及晶粒半导化的重要原因。
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