掺杂对氧化锌电阻特性的影响

【摘要】氧化锌（ZnO）的禁带宽度很大，激子束缚能力强，具有很高的电导率，因此在半导体电阻材料、太阳能材料以及荧光材料等方面均有广泛地应用。ZnO做为电阻材料其电阻特性主要表现形式为压敏电阻和线性电阻。ZnO做为线性电阻时，其伏安特性（I-V）为线性，材料是一种多晶半导体，非线性系数相当小，电阻温度系数为正，通流能力很强，同时电阻率可调范围较大。其机理是因为晶粒与晶界之间的接触为欧姆特性。它的主要应用领域是现代电力-电子技术中的电流断路器，释能电阻器、点接地电阻器以及无感测量电阻装置等。ZnO压敏电阻是一种以ZnO为主体的多晶半导体陶瓷，经过典型的电子陶瓷工艺制成，同时掺杂了多种金属氧化物。在ZnO压敏电阻击穿区内，压敏电阻两端所加的电压大于其压敏电压，ZnO具有压敏特性的主要原因是隧道击穿电子机理。其主要应用领域是高压稳压电路中，如电视机视放管、高压真空开关以及卫星地面接收站等。本文研究掺杂对ZnO电阻特性的影响，在以下方面做出了创造性成果：（1）ZnO薄膜的制备采用射频磁控溅射法分别在玻璃衬底和塑料衬底（对苯二甲酸乙二醇酯PET）上分别对掺铝的氧化锌进行沉积，形成厚度在200nm左右的透明导电薄膜（AZO）。实验结果表明：薄膜厚度均匀。PET衬底和玻璃衬底上，AZO薄膜的方阻分别为45/sq和19/sq，透光率均达90%以上。这说明，在制备AZO薄膜时，柔性衬底可以代替硬质衬底，其应用能够使电子器件更加微型化、集成化、智能化。研究表明，这种方法制备的ZnO薄膜满足对其电阻特性研究的条件，且对ZnO薄膜的改性研究提供了技术支持。（2）研究发现：ZnO掺杂碱土或金属氧化物氧化镁、氧化钛、氧化铝（MgO，TiO2，Al2O3）后，经SEM、XRD、EDS测试以及电性能参数的测定，可大幅提高线性电阻的能量密度，降低非线性系数。结果表明：掺入MgO对ZnO线性电阻的性能影响很大，使ZnO晶粒内部的电子气压强随温度的升高而下降，直接导致阻温系数显著增加；当MgO掺杂量达到7wt%时，线性电阻的能量密度高达812J/cm3，非线性系数为1.12，阻温系数为正，并且达到3.4×10-4/℃；掺杂TiO2可以大幅度提高基体的致密度和晶粒的均匀性，从而显著地影响其能量密度，当有7wt%的TiO2掺入到ZnO线性电阻时，其能量密度可以达到780J/cm3；掺杂Al2O3则能改变尖晶石的生成方式以及生成量，减小线性电阻颗粒的晶粒尺寸，降低晶界势垒高度，对ZnO线性电阻的非线性系数与电阻率也有很大的影响。当Al2O3掺杂量达到9wt%时，电阻率达到285.24·cm，非线性系数低至1.17。（3）研究发现：ZnO掺杂稀土氧化物（Y2O3、La2O3）可以使基体颗粒的分布更加均匀，能大幅降低ZnO线性电阻的非线性系数，并提高电阻率的稳定性。当Y2O3、La2O3的掺杂量分别为0.25mol%、0.5mol%时，线性电阻的能量密度分别达到809J/cm3、812J/cm3，非线性系数分别达到1.14和1.12，电阻温度系数分别达到2.7×10-4/℃和3.4×10-4/℃。（4）研究发现：ZnO中掺杂Y2O3和Pr6O11可以显著影响其压敏特性，较大幅度提高非线性系数和压敏电压。同时，烧结制度对其性能也有影响。通过SEM、XRD和EDS等性能测试，结果可以看出，Y2O3和Pr6O11的引入，改变了尖晶石的生成方式，细化了压敏电阻的颗粒尺寸，同时稀土元素在ZnO晶界钉扎，抑制晶粒的生长，使晶体微观结构更加均匀。此外，在烧结过程中，稀土氧化物能增加施主浓度，增加ZnO晶体中的的自由电子浓度，从而使填隙的Zn2+浓度下降和传质能力下降，抑制了ZnO晶粒的生长。但是，Y2O3是施主掺杂，提供大量的施主电子，降低了ZnO的肖特基势垒，能使非线性系数减小，进而使漏电流增大，因此在该方面对提高ZnO压敏电阻的电学性能不利。研究表明：当Pr6O11掺杂量为3.37wt%，烧成温度为1150°C时，压敏电阻的电学性能最佳，且漏电流很小，仅为0.4μA，非线性系数达到44，压敏电压达到340V/mm。（5）研究发现：掺杂ZnO的制备工艺对其线性电阻的微观结构和电学性能也有较大影响。控制好烧结温度和降温速率，能制备出能量密度高，阻温系数小，非线性系数小，以及均匀性高的ZnO线性电阻。基于前面掺杂TiO2改善ZnO线性电阻的配方，①对添加剂进行不同方法的处理，同时改善烧结制度，当添加剂在1100℃条件下煅烧2小时，线性电阻的能量密度达到821J/cm3，非线性系数达到1.10，且阻温系数为正，达到3.94×10-4/℃。同时，电阻率为792·cm，电阻率的稳定性达到56.4%；②添加剂经过适当的煅烧温度和降温处理可以降低反应活化能，提高粉料的活性，从而提高原料的分散性，使微观颗粒分布更加均匀，进而优化ZnO线性电阻的电性能参数，当烧成温度在1320℃到1360℃之间，降温速率在100℃/h左右时，线性电阻的电性能参数相对最佳。当控制烧结温度为1340℃，降温速率为100℃/h，经测试可知，能量密度达到825J/cm3，非线性系数达到1.10，阻温系数达到4.01×10-4/℃，同时电阻率为790·cm，电阻率的稳定性为57.4%。ZnO无论作为透明导电薄膜，压敏电阻还是线性电阻，均与ZnO的六角纤锌矿结构密切相关。对于线性电阻和压敏电阻，主要与ZnO的晶粒尺寸，晶界势垒等因素相关。控制晶界的成分，或尖晶石的数量及生成方式可以有效地控制ZnO电阻的非线性系数，势垒高度以及能量密度等性质，从而决定ZnO线性电阻和压敏电阻中在不同领域中的应用。
【作者】刘建科；
【导师】王秀峰；
【作者基本信息】陕西科技大学，材料物理与化学，2014，博士
【关键词】AZO薄膜；ZnO线性电阻；ZnO压敏电阻；掺杂；添加剂；

【参考文献】
[1]赵甲彧.心肌血流储备分数指导冠状动脉临界病变介入治疗的临床评价[D].河北医科大学,内科学（专业学位）,2013,硕士.
[2]周建宇,何惺华,李安夏,梁周军.罗家地区井间地震方法与效果[J].石油地球物理勘探,2001,06:39-38+37-36+35-34+33-32+31-0.
[3]贾拥政.单开门椎管成形SPR术治疗痉挛性脑瘫术后中远期疗效评估[D].蚌埠医学院,外科学（专业学位）,2013,硕士.
[4]杨晓琴.基于两货栈和延期支付的最优订货和支付策略研究[D].合肥工业大学,电子商务,2013,硕士.
[5]任兆鑫.服务业FDI流入对服务贸易出口竞争力的影响研究[D].首都经济贸易大学,国际贸易学,2014,硕士.
[6]孙小林.金融数据挖掘中的增量聚类算法及应用研究[D].华中科技大学,2004.
[7]孙一博.高效纤维素降解菌的筛选鉴定及特性研究[D].东北农业大学,生态学,2013,硕士.
[8]王曦婷.四川省遂宁市拦江镇话语音研究[D].湖南师范大学,汉语言文字学,2013,硕士.
[9]付正伟.武汉市可再生能源体系构建研究[D].湖北工业大学,产业经济学,2014,硕士.
[10]高源.小飞蓬的生物活性及抑菌物质的分离纯化[D].海南大学,农药学,2012,硕士.
[11]隋立松.技术侦查法制化研究[D].北方工业大学,法律,2013,硕士.
[12]赵挺宇.Convergence or Divergence: Dilemma of Latin American Cultural Identity[D].西安外国语大学,英语语言文学,2014,硕士.
[13]卢海燕.社区性决策者的权重及其对社会选择结果唯一性的影响[D].江苏科技大学,管理科学与工程,2014,硕士.
[14]王春强.热管技术在增压内燃机中的应用[D].广西大学,动力机械及工程,2004,硕士.
[15]杨鹏.高校党风廉政建设评估研究[D].杭州电子科技大学,思想政治教育,2013,硕士.
[16]李健玲.去肾动脉神经对SHR肾交感神经活性及钠处理的影响[D].广西医科大学,心血管内科,2014,博士.
[17]李小茨.货币政策对我国房地产上市公司股票价格影响的研究[D].南京财经大学,金融学,2012,硕士.
[18]靳家新.大型原油储罐自动灭火系统简介[J].油田地面工程.1990(03)
[19]常红.基于65nm SRAM的低失调灵敏放大器的分析与设计[D].安徽大学,电路与系统,2014,硕士.
[20]孙莉,强根荣,王海滨,裴文.理论与实践贯通的专题式有机化学实验教学的探索与实践[J].现代物业(中旬刊),2013,12:66-67.
[21]张世文.电务部门安全生产规律初步探索[J].铁道通信信号.2001(10)
[22]周慧敏.全媒体时代的报业转型[D].安徽大学,新闻与传播,2013,硕士.
[23]李卫国.关于广义树方法冗余项问题的讨论[J].控制与决策,2003,04:510-512.
[24]鄂旭,方熠东,胡少华,金璐璐,林爽.面向水产品质量信息的知识发现研究[J].计算机技术与发展,2014,06:153-155.
[25]罗智超.针刀治疗腰椎间盘突出症的临床随机对照研究[D].北京中医药大学,针灸推拿学,2014,硕士.
[26]曲光复.我对现代陶艺发展的理性研究[D].吉林艺术学院,艺术设计,2012,硕士.
[27]万晴.科技与人文：论《奇妙新世界》中“两种文化”的冲突[D].首都师范大学,英语语言文学,2013,硕士.
[28]武昶.基于GPU的GPS软件接收机设计与实现[D].北京理工大学,电子与通信工程,2014,硕士.
[29]周敬慧.高校大学生学业指导研究[D].河北科技大学,高等教育学,2014,硕士.
[30]余真泷.基于表面功能特性的三维粗糙度参数表征体系研究[D].河南科技大学,机械制造及其自动化,2014,硕士.
[31]申延杰.光伏产业政府扶持政策效应分析[D].浙江理工大学,区域经济学,2014,硕士.
[32]王延峰.药品安全监管政府责任的若干问题研究[D].华东政法大学,法律（专业学位）,2012,硕士.
[33]逄韶华.尺度空间理论在生物特征识别中的应用研究[D].山东大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[34]张伟才.星载赋形天线曲面设计及索膜结构形面设计分析[D].浙江大学,结构工程,2004,硕士.
[35]蔺京敏.基于P87C591单片机的CAN总线应用层协议的研究[D].河北工业大学,控制理论与控制工程,2004,硕士.
[36]朱鹏吉.基于增量学习的视频跟踪[D].安徽大学,控制工程,2014,硕士.
[37]杨晖.歇后语的认知机制研究[D].青海师范大学,汉语言文字学,2012,硕士.
[38]刘浩.铝电解槽的多物理场仿真研究[D].华中科技大学,工程力学,2013,硕士.
[39]罗国安,高少武,魏庚雨,王尚旭.Chirp-Z变换谱分析压制地震记录单频干扰[J].石油地球物理勘探,2009,02:166-172+125+255.
[40]窦娅芳.256层多排螺旋CT小肠成像（MDCTE）的临床应用研究[D].复旦大学,影像医学与核医学,2012,硕士.
[41]武芳琳.民生银行客户关系维护研究[D].大连理工大学,2004.
[42]张新明,李宗荣.关于提升疾病检测系统智能特性的研究[J].医学信息,2004,09:530-532.
[43]徐红曼.企业骨干在社区权力运作过程中的作用[D].吉林大学,社会学,2004,硕士.
[44]李勇.XML技术在网络数据挖掘应用中的优势[J].雁北师范学院学报,2003,05:89-90.
[45]贾永红.水肥耦合对春小麦干物质和产量的影响[D].新疆农业大学,作物（专业学位）,2012,硕士.
[46]侯艳丽.干扰podoplanin的表达对人早孕期蜕膜基质细胞生物学功能影响的研究[D].苏州大学,病理学与病理生理学,2012,硕士.
[47]程挺.论非政府组织的法律地位——以行业协会为例[D].华东政法学院,宪法学与行政法学,2004,硕士.
[48]党万太.基于CaN-NFAT3信号转导通路探究四逆汤及附子有效成分治疗心力衰竭大鼠的分子机制[D].成都中医药大学,中西医结合基础,2012,硕士.
[49]曲兆强.南京大屠杀幸存中国军人研究[D].南京大学,中国近现代史,2013,硕士.
[50]张亚黎,罗毅,姚贺盛,田景山,罗宏海,张旺锋.田间条件下海岛棉和陆地棉花铃期叶片光保护的机制[J].植物生态学报,2010,10:1204-1212.