２７卷第３期 ２０１ １年６月 哈尔滨商业大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈａｒｂｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｏｍｍｅｒｃｅ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ Ｅｄｉｔｉｏｎ） ｖ。１．２７ Ｎ。．３ Ｊｕｎ．２０１ １ Ｃｏ２ ０３掺杂对ＺｎＯ压敏电阻性能的影响 陈春天，姜永健，李多，肖海峰 （哈尔滨理工大学应用科学学院，哈尔滨１５００８０） 摘要：运用传统工艺制备不同质量分数Ｃｏ：０，掺杂的ＺｎＯ压敏电阻阀片．采用扫描电镜和Ｘ射线 衍射仪对样品的显微结构进行分析，研究了Ｃｏ：０３掺杂质量分数对ＺｎＯ压敏电阻显微结构的影响． 讨论了其电学性能与Ｃｏ：０，掺杂摩尔分数的关系．结果表明，随着Ｃｏ ０ 摩尔分数的增大，晶粒尺寸 越来越小，衍射角变大，晶面间距减小；压敏电压升高，非线性指数变大． 关键词：氧化锌；扫描电镜；Ｘ射线衍射仪；压敏电阻；微观结构 中图分类号：ＴＮ３０４．２４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—０９４６（２０ｌ１）０３—０３２７—０４ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｃｏ２ ０３ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｎ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＺｎＯ ｖａｒｉｓｔｏｒ ＣＨＥＮ Ｃｈｕｎ—ｔｉａｎ，Ｊ１ＡＮＧ Ｙｏｎｇ－ｊｉａｎ，ＬＩ Ｄｕｏ，ＸＩＡＯ Ｈａｉ—ｆｅｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｈａｒｂｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５００８０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ＺｎＯ ｖａｒｉｓｔｏｒ ｖａｌｖｅｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｏｆ Ｃｏ２ ０３ ｄｏｐｅｄ ｗｅｒｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｚｎ０ ｓａｍｐｌｅｓ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｓｃａｎ— ｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＳＥＭ）ａｎｄ Ｘ—ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ（ＸＲＤ）．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｃｏ２ ０３ ｄｏｐａｎｔ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓａｍｐｌｅｓ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ，ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｏｆ Ｃｏ２０３ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｒａｓｕｈｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｏｆ Ｃｏ２ ０３ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ，ｔｈｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｇｒａｉｎ ｂｅｃａｍｅ ｓｍａｌｌｅｒ，ｔｈｅ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｂｅｃａｍｅ ｌａｒｇｅｒ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｓｍａｌｌｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｐｌａｎａｒ ｄｉｓｔａｎｃｅ；ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｖｏｌｔａｇｅ．ｐｒｏｍｏｔｅ，ｔｈｅ ｎｏｎ— ｌｉｎｅａｒ ｉｎｄｅｘ ｂｅｃａｍｅ ｌａｒｇｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ；ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ；Ｘ—ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ；ｖａｒｉｓｔｏｒ；ｍｉｃｒｏ— ｓｔｒｔ】ｃｈ１ｒｅ ＺｎＯ压敏电阻是一种以ＺｎＯ为主要成分并添 加其他的金属氧化物烧制而成的新型半导体陶瓷 穿电压 时，ＺｎＯ压敏电阻的电阻率非常的大，但 当外加电压大于击穿电压 时，电阻率又变得非 敏感元件，具有很强的Ｎ型半导体导电特性¨ ．主 常小．因此，击穿电压又叫压敏电压．半导体材料是 由ＺｎＯ微粒和一些晶界相组成的，晶界相是经过 液相高温烧结而形成的 Ｊ．ＺｎＯ晶界形成了电导势 垒并增加了非线性伏安特性．钻等过渡金属元素的 加人提高了伏安特性的非线陛 ． 要用于保护各种低压电路中的器件不受异常浪涌 电流的损害．因具有电压非线性好、耐浪涌量大、响 应速度快等特点，被广泛地用于计算机，家用电器、 通信设备及电子器件等领域 Ｊ． ＺｎＯ压敏电阻具有很高的非欧姆伏安特性，这 一特性被认为是在晶界产生的．当外加电压低于击 本文主要对不同摩尔分数Ｃｏ ０ 掺杂ＺｎＯ压 敏电阻片的微观结构进行了研究分析，讨论了ｃｏ 收稿日期：２０１０—０５—１２． 基金项目：哈尔滨市科技创新人才专项基金（２００９ＲＦＸＸＧ２０５）． 作者简介：陈春天（１９６４一），男，教授，研究方向：材料性能检测及电流体力学 第３期 陈春天，等：Ｃｏ：Ｏ，掺杂对ＺｎＯ压敏电阻性能的影响 （， ：ＮＵｏ：Ｄｆ １ Ｌ ｃｌ Ｊ 可以看出，当晶粒的直径减小时，晶粒数增大， 对应的压敏电压变大；当晶粒的直径增大时，晶粒 数减少，对应的压敏电压变小，所以，晶粒直径的大 很显然，随着随Ｃｏ Ｏ，摩尔分数的增加，非线 性指数变大．Ｂｉ Ｏ，是使ＺｎＯ产生非线性的主体， 但是由于Ｂｉ：Ｏ，的熔点只有８２５℃，所以在高温烧 结时，Ｂｉ Ｏ，就会挥发，Ｂｉ：Ｏ 的挥发极大的影响了 非线性系数．但由于Ｂｉ：Ｏ 大部分偏析在晶界，而 小对压敏电压的变化起决定性的作用．从图１中已 经得出，随着Ｃｏ Ｏ，摩尔分数的增加，晶粒的直径 减小，结合公式（１）可以知道压敏电压必然随着 Ｃｏ Ｏ 摩尔分数的增加而增大． 对４种试样分别两面镀银进行电学性能测试， 得到压敏电压与Ｃｏ Ｏ 摩尔分数的关系如图２所 ７ ． ＞ ＼ ｛ 赫 趟 图２压敏电压随Ｃｏ Ｏ 摩尔分数的变化 从图２中可以很明显看出压敏电压随Ｃｏ Ｏ 摩尔分数的增加而变大，这与理论上得到的结果完 全一致，正是由于ｃｏ的加入使晶粒尺寸变小所引 起的． 非线性指数是衡量压敏电阻好坏的一个重要 参数，一般地，非线性指数越大越好，它可以由公式 ＝ 计算得出．非线性指数随ｃ。：０ 摩尔 分数的变化关系如图３所示． 图３ 非线性指数随ｃｏ ｏ 摩尔分数的变化关系 晶界处的ｃｏ与Ｂｉ：Ｏ 形成了固溶体，从而抑制了 Ｂｉ：Ｏ，的挥发，这样就能有效的提高非线性指数． 对掺杂Ｃｏ Ｏ 摩尔分数不同的ＺｎＯ压敏电阻 片做ｘ射线衍射试验，实验结果如图４所示． 鲁 墨 Ｈ尝 号 罾 罟 ＾ ＆ 宜 兽 尝 菖 鲁 兽 尝 （Ｄ）２０／。 （Ａ）０．０％０３）Ｏ．４９６（Ｃ）０．８９６㈣１．２％ 图４不同摩尔分数Ｃ０：ｏ 掺杂ＺｎＯ压敏 电阻片的ＸＲＤ图 从四图中比较可以看出所有的试样在２ 角为 ３４．４３。附近都出现了（００２）晶面的衍射峰，可见在 掺Ｃｏ前后ＺｎＯ压敏片都具有很好的ｃ轴择优取 向，随着Ｃｏ Ｏ，掺杂量的增加，Ｃ轴择优取向逐渐 变差．（００２）衍射峰的相对强度随ｃｏ掺杂量的增 加而变弱，图４（Ｄ）的（００２）衍射峰的强度最弱．掺 入ｃｏ以后（００２）衍射峰的半峰宽变窄，所以衍射 的相对强度也随着ｃｏ质量分数的不断增加而减 小，但是，ＺｎＯ却具有很高的结晶质量． 通过对ＸＲＤ图的分析，还得到衍射角有所增 ・３３０・ 哈尔滨商业大学学报（自然科学版） 第２７卷 （上接３２６页） ［Ｊ］．大学数学，２００９，２５（１）：１６３—１６７． ‘ ＋Ａ（ ） ＋ （ ） ‘４ ＋Ｃ（ ） ＋Ｄ（ ）ｚ 尚德生．一类变系数线性微分方程及其解［Ｊ］．大学数学， ＋Ｅ（ ） ＝＿厂（ ）ｅ言 ‘ ‘ －Ａ（ｘ）ｄｘ． ２００９，２５（３）：１２３—１２６． （８） 孙法国．胡新利．四阶变系数线性微分方程的不变量解法 方程（８）可通过变量代换 ［Ｊ］．西安工程科技学院学报，２００７，２１（５）：６９２—６９５． 化为三阶线性微分方程 孙法国．胡新利，王晓东．五阶变系数线性儆分方程的不变 ｕ‘ ’＋４（ ） ‘４’＋Ｂ（ ） ＋Ｃ（ ）Ｍ”＋Ｄ（ ）Ｍ 量解法［Ｊ］．西安工程大学学报，２００８，２２（５）：６４２—６４６ 王晓东．孙法国，胡新利．六阶变系数线性微分方程的不变 ＋ （ ）Ｍ＝／【 ）ｅ６／‘ ‘ ’一 ‘ ’ （９） 量解法［Ｊ］．渭南师范学院学报，２００８，２３（５）：１１—１３． 关于方程（９）的解法，文献［７—９］已经有比较 赵临龙，常微分方程研究新论［Ｊ］．北京：中国地图出版社， 多的一系列结果． １９９９：７２—８０，１１３—１２０． 汤光宋．常微分方程专题研究［Ｍ］．湖北：华中理工大学出 参考文献： 版社，１９９４． ［１］ 方书盛．一类二阶变系数线性微分方程的算子解法［Ｊ］．汕 孙法国，任丽娜．五阶线性微分方程的算子解法［Ｊ］．哈尔 大学学报，２０１０，２５（１）：１２—２３． 滨商业大学学报：自然科学版，２０１０，２６（６）：７１０—７１２．７２２． ［２］ 古月劲松．二阶变系数线性微分方程与Ｒｉｃｃａｔｉ方程的关系