三氧化鎢非線性電學(xué)特性的缺陷模型及其抗老化能力研究.pdf

1、WO3陶瓷作為一種低壓壓敏材料，在微電子集成電路等低壓電路中保護(hù)領(lǐng)域?qū)?huì)有重要的應(yīng)用。因此，WO3壓敏陶瓷實(shí)用化的研究有重要的意義。將WO3壓敏陶瓷用于實(shí)際應(yīng)用就要考慮其性能的老化，而WO3陶瓷壓敏特性的老化源于其晶界勢(shì)壘的變化。然而，WO3壓敏特性晶界勢(shì)壘的形成過(guò)程及其影響因素尚未有統(tǒng)一的結(jié)論。本文在缺陷化學(xué)理論的基礎(chǔ)之上，結(jié)合課題組大量的關(guān)于WO3壓敏陶瓷的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了WO3壓敏材料晶界勢(shì)壘模型，設(shè)計(jì)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了模型的正確

2、性；利用晶界勢(shì)壘模型對(duì)WO3壓敏陶瓷老化實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行了闡釋，并通過(guò)摻雜稀土元素來(lái)改善WO3陶瓷的抗老化能力。主要結(jié)論如下：
　　(1)燒結(jié)氣氛對(duì)WO3陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)和電學(xué)特性有很大的影響。真空、N2氣氛等缺氧氣氛燒結(jié)能夠促使WO3陶瓷中產(chǎn)生更多的氧空位，導(dǎo)致WO3晶格中的晶面間距增大，使其XRD圖譜中衍射峰向小角度方向移動(dòng)。有研究表明，氧空位能夠改變晶格中W-O鍵之間的角度，而WO3幾種相結(jié)構(gòu)之間的主要不同點(diǎn)就是W-O鍵之

3、間的角度不同，這可能是WO3陶瓷在室溫下為兩相共存或多相共存的原因。在缺氧氣氛中燒結(jié)時(shí)，陶瓷中缺失的氧原子得不到補(bǔ)充，使得WO3陶瓷晶粒生長(zhǎng)和致密化受到抑制；產(chǎn)生的氧空位使WO3電導(dǎo)率較高，使其導(dǎo)電行為符合歐姆定律。將在缺氧氣氛燒結(jié)的WO3陶瓷再放置到空氣或氧氣氣氛中進(jìn)行第二次燒結(jié)，能夠使WO3陶瓷的晶粒重新生長(zhǎng)，使陶瓷的致密度得到提高。在此過(guò)程中，晶界吸附氧與陶瓷中的電子結(jié)合，形成一定寬度的電子耗盡層，即在晶界形成肖特基勢(shì)壘，使WO3

4、陶瓷出現(xiàn)壓敏特性。缺氧氣氛燒結(jié)的WO3再放置到空氣或氧氣氣氛中第二次燒結(jié)得到的陶瓷樣品，壓敏電阻明顯增大，漏電流減小，非線性系數(shù)增大。
　　(2)氣氛對(duì)WO3壓敏陶瓷性能的老化有明顯的影響，摻雜稀土氧化物能夠改善WO3陶瓷壓敏特性的抗老化能力。WO3陶瓷在空氣或富氧氣氛中進(jìn)行老化實(shí)驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)的漏電流減小，壓敏電壓增大等現(xiàn)象與ZnO、SnO2等傳統(tǒng)壓敏陶瓷不同。這與其晶界勢(shì)壘中的缺陷有關(guān)。結(jié)合晶界勢(shì)壘模型，WO3陶瓷晶界能夠吸附氧原

5、子，形成吸附氧離子，使得晶界勢(shì)壘高度增加，從而壓敏電壓增加，漏電流減小。WO3電學(xué)特性重復(fù)性差、壓敏特性隨溫度升高迅速減弱等現(xiàn)象可能與晶界氧離子解吸附有關(guān)。多化合價(jià)態(tài)的元素氧化物，在高溫條件下可能發(fā)釋放或者吸收氧，影響WO3陶瓷在燒結(jié)過(guò)程中的氧空位的形成，對(duì)陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能產(chǎn)生影響。摻雜使WO3陶瓷的晶界勢(shì)壘不在單純依靠晶界氧吸附作用，降低了氣氛條件對(duì)其晶界勢(shì)壘的影響，從而提高了WO3陶瓷壓敏特性的穩(wěn)定性。WO3壓敏陶瓷在受到高