ZnO陶瓷及其应用

1、ZnO陶瓷及其应用压敏陶瓷介绍压敏陶瓷或称压敏变阻器， 指对电压变化敏感的非线性电阻陶瓷（即电阻值与外加电压成显著的非线性关系），其伏安特性曲线 如图。当电压低于某一临界值时，压敏陶瓷的阻值 非常高，几乎为一绝缘体，当电压超过这一临界值时，电阻值急剧减小，接近于导体。图7却正敝电阻的供安精性曲线及其与线性电阻器的对比”I敏用梵2 SiC H（被阳晓3纨性电机从1931年日本将SiC用来吸收雷击突波以来，已经出现了多种压敏陶瓷电阻器的应用，如有线电话交换机用它消除电火花、硅整流器、彩色电视机用它吸收异常电压、微型电动机用它来吸收噪声及对电机进行过压保护和继电保护等制造压敏半导体 陶瓷材料有 Si

2、C ZnO、BaTiO3、Fe2O3、SnO2、SrTiO3等。其中BaTiO3、 Fe2O3利用的是电极与烧结体界面的非欧姆型，而SiG ZnO、SrTiO3利用的是晶界非欧姆特性。目前应用最广、性能最好的是 ZnO压敏半导体陶瓷。a种变阻器特性比较持住ZnOSiCRaTiOjSjTiO.x线性产生机恂 等线性嘉数 央波吸收性能 使用电压范围公品界 20、7。大 18-1800岛界大5 *1000界面10 -20 小j 7界面小3 -30界面 2-5 小 2-30岛界 3-20 大 3-100可见ZnO远优于其他材料ZnO简介历史起源结构性能制备 应用：（压敏陶瓷、掺杂半导体）前景历史起源人

3、类很早便学会了使用氧化锌作涂料或外用医药，但是人类发现氧化锌的历史难以追溯。氧化锌在古代和近代的另一主要用途是涂料，称为锌白。在20世纪后半叶，氧化锌多用在了橡胶工业。在 20世纪70年代，氧化锌的第二大用 途是是复印纸添加剂。现在，晶粒微小的氧化锌开始在纳米材料领域扩展应用范围结构ZnO的晶体结构纤锌矿晶体结构，其中氧离子以六方密堆积排列，锌离子占据了一半四面体间隙。也有立方闪锌矿结构，以及比较罕见的氯化钠式八面体结构，纤锌矿结构在三者中稳定性最高， 最常见六边纤锌矿结构ZnO的能带结构ZnO的能带由O2-满的2P能级和Zn2+空的4s能级所组成的。当离子相互靠近而形成晶 体时，这些能级就形

4、成能带。满的 2P和空的4s之间的禁带宽度约为 3.23.4 eV。从禁带宽 度看，室温下ZnO应是一绝缘体。（禁带宽度是指一个带隙宽度（单位是电子伏特（eV）,固体中电子的能量是不可以 连续取值的，而是一些不连续的能带，要导电就要有自由电子存在，自由电子存在 的能带称为导带（能导电），被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从价带跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。绝缘体的禁带宽度一般很宽，约为3 6eV,半导体的禁带宽度较窄，约为0.1 2eV。）ZnO的半导体化有三种情况。1 .由于本证缺陷。ZnO晶格结构间隙大，晶格中的Zn很容易脱离原来的位置进入间隙位置，形成Zn空位。Z

5、tlZn =+ IZn空位可电离形成电导:2 .强制还原。在高温低氧分压下ZnO发生分解。分解可以形成间隙Zn离子，也可以形成氧空位。3 .掺杂。若引入高价阳离子，如Al3+, Cr3+, Ga3+, In3+等，这些阳离子在 ZnO中形成施主中心。若掺入低价金属离子， 如Li+, Cu+, Ag+等，在氧化气氛，Li+置换Zn2+形成受主电导。 这种掺杂与气氛有关，如果在还原气氛中，Li2O的掺杂也可以形成施主电导。ZnO压敏瓷的制备ZnO压敏陶瓷通常是在ZnO中加入Bi、Mn、Co>Ba、Pb、Sb、Cr、Si等金属氧化物，按典型粉末工艺制造，烧结后进行涂Ag等工序。主要的制备方法为

6、掺杂。掺杂可用机械混合的方法，也可用化学方法。同时掺杂制ZnO半导体还可以制造有关热电材料的半导体ZnO压敏电阻的主要电参数非线性系数图中在大于Jb的某一电流范围内，J和E的对数之间近似于直线关系。用方程lgJ= a -gE表示，另A=a lgC这J=（E/C） " （J为电流密度，E为电场强度，C为常数）a为直线的斜率，a越大，直线越陡，电阻的非线性特性越强， 因此将a成为“非线性系数”电拘密度J/A MZnO压般电Ml器IN曲线一般来说在一定几何形状下， 电流在1mA附近的”的值最大，因此常取与1mA电流对 应的电压为“压敏电压”，记为VimA。此外，非线性系数还和温度有关。 （

7、77K相较298K的峰 值升高O蓝小r=a值与电流的关系C值（对照与电阻）定义：当变阻器上流过 1mA/cm2电流时，在每毫米上的电压降为该压敏电阻的 C值， 在a 一定时，C越大，一定电流下所对应的电压值越高，因此常称为非线性电阻”，又因为它取决于材料的成分结构和制造工艺，所以又常称为材料常数”漏电流压敏电阻正常工作时流过的电流叫“漏电流”,与与电压和温度有关。要使压敏电阻器正常可靠地工作，漏电电流必须尽可能小。一般来说可控制在50微安到100微安之间。在选择压敏电阻的工作电压时，必须根据允许的漏电流值。电压温度系数定义：在规定温度范围内， 温度每变化一度，零功率条件下测得的压敏电压的相对变

8、化 率叫压敏电压的温度系数。用来描述压敏电阻随着温度的上升，压敏电压下降的变化关系。流通容量（或称流通能力或通流量）压敏电阻经过持续交、 直流负载和高浪涌电流 （浪涌电流指电源接通瞬间， 流入电源设 备的峰值电流。由于输入滤波电容迅速充电， 所以该峰值电流远远大于稳态输入电流） 的冲 击后，I-V特性会发生蜕变现象。这种蜕变，也称压敏电阻的老化。对于实际应用来说这种老化是不允许的。因此必须对经高浪涌电流冲击后的V1mA下降有所限制，并把下降多少作为衡量压敏电阻承受高浪涌电流冲击能力的尺度。把满足V1mA下降要求的压敏电阻所能承受的某一波形的最大冲击电流叫做压敏电阻器的“通流容量”。通流容量一方

9、面给取决于冲击电流的峰值，一方面取决于冲击电流的持续时间，即取决于消耗的能量。ZnO和SiC两种变阻器的特性比较。空阻器材料1机制 _ 1电流一电长特性电压八1对称性非线性系数漏电流/A允许能量密度响应时间人LSiCZnO烧结SiC |烧结ZnO晶界势垒晶界势卒5 -100020-900对称对称3720-10010 11202001 A IUZnO和SiC变阻器的特性压敏变阻器的应用压敏变阻器广泛地用作过压保护，高能流涌吸收，高压稳压等方面。举例1、过压保护正常工作时，压敏电阻两端电压较小，压敏电阻阻值较大，所产生的漏流很小。异常情况发生时压敏变阻器稳压线路原理图举例2、稳压方面由于压敏变阻器有高的非线性i-v特性，所以负载两端电压的少许变化就会使流经压敏变阻器的电流Iv产生很大的变化，从而使电压增量几乎全在Ro,上的压降所补偿。（猜测:稳压应用的应该始终处于击穿状态）ZnO前景展望在一篇研究生论文中发现这个例子在ZqOMO5基毗赫适鼬MnO舟 东线性系数得到了较大蹦高,但漏电 流明显上升，进一步标NbQ时，非线性系数可得到进一步改善，同时漏电漉度还明 显降低，和ZnOMOj二元压敏肉瓷的漏电流密度相近，最低达到0即m/Vcml所以通过 同时接杂M