氧化鐠基陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)及其非線性電學(xué)特性研究.pdf

1、Pr6O11壓敏陶瓷是一類新型的壓敏電阻材料，是我們課題組最早發(fā)現(xiàn)的。與傳統(tǒng)的ZnO壓敏電阻材料相比，純Pr6O11陶瓷具有非線性電學(xué)行為，而且微觀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。根據(jù)課題組的大量研究發(fā)現(xiàn)Pr6O11陶瓷的壓敏性能穩(wěn)定性高，抗老化能力強(qiáng);純Pr6O11壓敏陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由單相構(gòu)成，便于探究壓敏特性的機(jī)理。課題組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明氧化鐠壓敏陶瓷的燒結(jié)性能差和非線性系數(shù)低，這些缺陷將限制它在微電子集成電路中保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用。本文結(jié)合課題組以前的研

2、究，采用Sb、Al、Dy、Y和Er元素氧化物摻雜，研究這些三價(jià)氧化物摻雜對(duì)Pr6O11陶瓷微觀結(jié)構(gòu)、燒結(jié)性能和壓敏特性的影響。
　　 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Sb2O3摻雜明顯地改變了Pr6O11陶瓷微觀結(jié)構(gòu)、燒結(jié)性能和壓敏特性。Sb摻雜促進(jìn)了氧化鐠陶瓷的晶粒生長(zhǎng)和致密化，提高了Pr6O11陶瓷的燒結(jié)性能。SEM和XRD實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了Sb原子在Pr6O11晶格中發(fā)生了缺陷反應(yīng)，形成了更多的氧空位。氧空位減小了物質(zhì)傳輸?shù)恼系K，提高了物質(zhì)的擴(kuò)散

3、系數(shù)，從而促進(jìn)了氧化鐠陶瓷晶粒生長(zhǎng)和致密化。摻雜濃度1.0mol％的樣品具有最大的晶粒尺寸，達(dá)到了16.4μm;摻雜濃度為2.0mol％的樣品得到了高致密的氧化鐠陶瓷。改變燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間影響了Pr6O11陶瓷微觀結(jié)構(gòu)。Pr6O11陶瓷的平均晶粒尺寸和相對(duì)密度隨著燒結(jié)溫度升高，先增加然后減小。燒結(jié)時(shí)間促進(jìn)了氧化鐠陶瓷晶粒生長(zhǎng)和致密化。在燒結(jié)降溫階段，Pr6O11陶瓷的晶界被氧吸附，吸附氧易于氧化鐠晶格中自由電子結(jié)合，在晶界形成肖特基勢(shì)

4、壘，產(chǎn)生非線性電學(xué)行為。微量Sb摻雜促進(jìn)了氧空位的形成，提高了氧空位濃度，促進(jìn)了晶界氧吸附，提高了Pr6O11陶瓷壓敏特性。增加燒結(jié)時(shí)間提高了氧化鐠陶瓷的非線性指數(shù)，降低了漏電流。
　　 燒結(jié)溫度對(duì)Al摻雜的Pr6O11陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)和致密度產(chǎn)生了重大的影響。在1150℃燒結(jié)的氧化鐠陶瓷樣品，Al2O3摻雜濃度明顯地改變了Pr6O11陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)和相對(duì)密度。Al元素在1150℃燒結(jié)時(shí)促進(jìn)了氧空位形成，氧化鐠晶格中丟失氧原子，造

5、成了晶格畸變，改變了氧化鐠晶面間距，導(dǎo)致了Pr6O11的XRD衍射峰位置左移。形成的氧空位促進(jìn)了物質(zhì)的傳輸，促進(jìn)了陶瓷晶粒生長(zhǎng)和致密化。增加的氧空位為氧吸附提高位置，增加了晶界勢(shì)壘高度，提高了氧化鐠陶瓷的非線性系數(shù)。在1150℃燒結(jié)時(shí)，Al摻雜明顯地提高了陶瓷的非線性系數(shù)，降低了漏電流，摻雜濃度為2.0mol％的樣品的非線性系數(shù)達(dá)到了107.6。
　　 三價(jià)稀土Dy，Y和Er氧化物摻雜能夠改善Pr6O11陶瓷的壓敏特性。微量Dy