ZPYSCC-nSiO2复合压敏电阻性能研究

摘要：在烧结温度为1 100 ℃条件下，研究了SiO2掺杂浓度对ZPYSCC-nSiO2复合压敏电阻物相和压敏性能的影响。实验结果表明：随着SiO2掺杂浓度增大，三强峰的衍射角逐渐减小;当SiO2掺杂浓度为0.01 mol时，非线性系数达到最大值68，此时压敏电压约为370 V/mm。

关键词：复合压敏电阻;SiO2掺杂;微观结构;压敏性能

0 引言

随着外加电压变化，通过的电流能够发生显著变化的电阻称为电压敏感电阻，简称压敏电阻[1]。氧化锌（ZnO）是一种宽禁带半导体材料，应用十分广泛[2]，通常用作压敏电阻的制作材料。ZnO压敏电阻能够有效吸收电力电子系统中的过电压，保护系统的正常运行[3]。ZnO压敏电阻是由氧化锌和各种添加剂按照一定比例，经过复杂的制备工艺制备而成。本文在相同的压敏电阻制备工艺条件下，研究了SiO2掺杂浓度对ZnO-Pr2O3-Y2O3-Sb2O3-Co2O3-Cr2O3（ZPYSCC）-nSiO2复合压敏电阻性能的影响，包括物相分析、压敏性能分析和机理分析。

1 实验过程

按照一定比例称取原材料：Pr2O30.02 mol、Y2O30.005 mol、Sb2O30.005 mol、Co2O30.005 mol、Cr2O30.005 mol、SiO2n mol和ZnO （1-n）mol，SiO2的掺杂量n分别取0、0.005、0.01和0.015。按照传统电子陶瓷制备工艺制备样品，其烧结温度为1 100 ℃。样品的物相采用X射线衍射仪（XRD）进行分析，样品的微观结构采用扫描电子显微镜进行观察，复合压敏电阻的压敏性能用高压源表测试。

2 实验结果与讨论

2.1    物相分析

物相分析结果如图1所示，表明了n为不同值时ZPYSCC-

nSiO2复合压敏电阻的XRD图谱及部分放大结果。从测试结果可以看出，复合电阻的主晶相为铅锌矿结构，同时还含有ZnCr2O4、ZnCo2O4、Zn7SbO12等新物相。新物相是在高温条件下通过固相反应形成的，形成陶瓷后这些新物相会偏析于晶界，对电阻的压敏性能产生影响。

同时，从图1可以看出，随着SiO2的掺杂浓度增大，ZPYSCC-

nSiO2复合压敏电阻的三强衍射峰也会发生一定的位移，衍射角逐渐减小（三强衍射峰向左偏移）。产生此现象的原因与SiO2的掺入有关，SiO2可以促进陶瓷烧结过程中液相的形成，在液相环境下离子的传输速度增大，使晶粒生长的速度增大，因此平均晶粒尺寸增大，衍射角向低角度偏移。

2.2    压敏性能分析

图2为n为不同值时ZPYSCC-nSiO2复合压敏电阻的伏安特性曲线，即E-J特性关系曲线，其中复合压敏电阻的压敏电压随着SiO2的掺杂浓度增大呈现先增大后减小的趋势，这与平均晶粒尺寸的先减小后增大的趋势相反。由于施加到每一个晶粒上的电压与晶粒的总数目相关，晶粒数目越多，平均晶粒尺寸越小，每个晶粒上的电压越大，即压敏电压越大。当SiO2的掺杂浓度为0.01 mol时，高压源表测得复合压敏电阻的击穿场强为370 V/mm，此时非线性系数达到最大值68。

3 烧结机理分析

在高温环境下，氧化锌和各种添加剂会发生十分复杂的烧结反应，在反应过程中添加剂离子会在氧化锌晶格中进行复杂运动，并通过晶粒生长溶入到氧化锌晶粒中，同时会有一部分离子运动到晶界，形成复杂的晶界相物质。在氧化锌晶格中同时存在Cr和Bi两种离子，但是这两种离子和晶格本身的Zn和O离子的差别较大，因此在烧结过程中，这两种离子的运动形式是截然不同的。

Bi离子的半径较大，和ZnO晶格的差别也较大，其电负性也和O离子有很大差别，因此在烧结过程中Bi离子会向能量较低的晶界处运动，形成晶界相，例如，晶界的氧化铋层就是通过这种方式形成的。Cr离子的半径较小，且和Zn离子的半径差别很小，其电负性也与Zn原子接近，在烧结过程中会被溶入到氧化锌晶格中，对氧化锌的晶格参数产生影响，XRD测试中复合压敏电阻的衍射峰发生偏移就是由此产生。因此，在制备复合压敏电阻陶瓷时必须选择合适的添加剂，既要优化晶界，又要优化晶粒及其均匀性，这样才能得到性能较好的压敏电阻。

4 结语

本文研究了SiO2掺杂浓度对ZPYSCC-nSiO2复合压敏电阻物相和压敏性能的影响。随着SiO2浓度增大，复合压敏电阻的衍射角逐渐减小，当SiO2掺杂浓度为0.01 mol时，非线性系数达到最大值68，击穿场强约为370 V/mm。根据烧结机理分析可知，复合压敏电阻的压敏性能主要由其微观结构决定，微观结构越均匀、晶界越清晰的电阻通常具有较好的压敏参数。以上性能参数的产生实质上是陶瓷烧结过程中离子运动的结果，不同离子的运动形式不同。与原晶格半径、电负性差别较大的离子通常会运动到晶界处，对晶界的均匀性产生影响，与原晶格、电负性差别较小的离子通常会溶入原晶格内部，对原晶格的晶格参数产生影响，使其衍射峰发生偏移。

[参考文献]

[1] 王振林，李盛涛.氧化锌压敏陶瓷制造及应用[M].北京：科学出版社，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，刘建科.Bi2O3掺杂对ZnO压敏电阻性能的影响及其机理[J].材料科学与工程学报，2019，37（6）：973-978.

收稿日期：2020-09-07

作者简介：陈永佳（1991—），男，陕西西安人，助教，从事半导体电子器件的研究工作。