金属氧化物掺杂对ZnO压敏陶瓷微观结构和电性能的影响

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本文测量了在ZnO中加入少量的TiO2或CuO后样品中的电子密度及其电阻率。以此为基础,采用固相反应法分别制备了ZnO-TiO2-Bi2O3-CuO-MnO2,ZnO-TiO2-Bi2O3-CuO-Co2O3和ZnO-TiO2-Bi2O3-CuO-Cr2O3系列压敏电阻,测试了其电性能;采用正电子寿命谱仪、符合正电子湮没辐射多普勒装置、扫描电镜等多种实验方法分析了其微结构,讨论了晶界结构和电子密度对ZnO压敏陶瓷电性能的影响,得到如下实验结果:   1.在ZnO中加入少量的TiO2,随着ZnO陶瓷中TiO2含量的增加,样品的电阻率降低,TiO2含量为1.8mo1%时,样品的电阻率最低;而当TiO2含量高于1.8mo1%时,样品的电阻率升高。当TiO2含量低于1.8mol%时,样品的正电子平均寿命随TiO2的增加而减小,这表明,样品中的自由电子密度随TiO2含量的增加而增加,从而导致样品的电阻率降低;当TiO2含量高于1.8mol%时,随TiO2含量的增加,样品的正电子平均寿命增加,即自由电子密度降低,样品的电阻率升高。   2.在ZnO陶瓷中加入少量的CuO,样品的电阻率显著升高,当CuO含量为2.3mol%时,样品的电阻率最高。正电子寿命测量结果显示:用少量的CuO对ZnO掺杂,样品的正电子平均寿命增加,即样品的自由电子密度降低,导致样品的电阻率升高。   3.比较金属铜和金属锌的正电子湮没辐射Dopple展宽谱的商谱发现,正电子与金属铜原子的3d电子的湮没概率高于与金属锌原子的3d电子的湮没概率。   4.在ZnO中加入少量的CuO,当CuO含量低于2.0mol%时,样品的商谱谱峰随CuO含量的升高而升高;当CuO含量高于2.0mol%时,样品的商谱谱峰随CuO含量的升高而降低。   5.比较ZnO-TiO2-Bi2O3-CuO-MnO2、ZnO-TiO2-Bi2O3-CuO-Co2O3和ZnO-TiO2-Bi2O3-CuO-Cr2O3系压敏陶瓷的正电子寿命谱参数及其电性能发现,ZnO-TiO2-Bi2O3-CuO-Cr2O3压敏陶瓷的正电子平均寿命较长,即该样品基体中的自由电子密度较低,其压敏电压较高;而ZnO-TiO2-Bi2O3-CuO-Co2O3压敏陶瓷的正电子平均寿命较短,该样品基体中的自由电子密度较高,其压敏电压E和漏电流IL较低,非线性系数α较高。
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