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Si掺杂NiCoMnCuO系负温度系数热敏电阻电性能和老化性能研究

作　者: 陈文姬
导　师: 卢振亚
学　校: 华南理工大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 负温度系数热敏电阻 电性能 导电机理 老化机理
分类号: O482.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


含锰尖晶石型负温度系数（Negative Temperature Coefficient ,NTC）热敏电阻材料的电阻率随温度升高而下降,广泛应用于抑制浪涌电流、温度补偿、温度测量电路中。这类材料一般由Mn,Co, Ni,Fe,Cu等过渡金属元素形成的氧化物构成。含铜体系因其电阻率低的优点而在抑制浪涌电流元件的应用中备受青睐,但B值较低是该体系的致命缺点。为了提高B值,一般需加入较多的Co、Ni等价格较高的氧化物材料,使生产成本提高。为了获得低电阻率,高B值,成本较低的NTC热敏电阻,本论文把Ni含量和Co含量都控制在10 mol%,通过在Ni0.3Co0.3Mn2.4-xCuxO4中掺杂SiO2获得电阻率较低,B值较高的热敏电阻元件。过渡金属离子的价态及其在尖晶石相中四面体和八面体中的分布很大程度上决定了材料的电阻率和B值。本论文在第三章中采用XPS和XRD测试手段分析Si掺杂对Ni0.3Co0.3Mn2.04Cu0.36O4和Ni0.3Co0.3Mn2.28Cu0.12O4中的离子的价态和分布的影响,探讨其中的导电机理。根据实验结果,我们认为,Ni0.3Co0.3Mn2.04Cu0.36O4掺杂SiO2后A位同时存在Cu+和Cu2+的样品,将产生间接导电机制:电子通过CuA+和CuA2+在次近邻八面体中的Mn3+和Mn4+离子之间跳跃,使得参与导电的离子对数目增加,电阻率下降;同时增加了电子的跳跃距离,B值升高。Ni0.3Co0.3Mn2.28Cu0.12O4掺杂后A位没出现Cu2+,不满足间接导电机制产生的条件,其电导只由直接跳跃导电机制贡献。根据第三章对导电机理的研究结果,本论文的第四章分析了SiO2掺杂在Ni0.3Co0.3Mn2.4-xCuxO4 （12≤X≤0.36）体系的影响。结果表明:当X>0.12时,适量SiO2的加入使得样品的电阻率下降,B25/50上升。本论文的第五章研究了Ni0.3Co0.3Mn2.16Cu0.24O4系统的电性能老化特性及掺杂对该系统老化特性的影响。Ni0.3Co0.3Mn2.16Cu0.24O4基方老化系数为-1.6%,加入SiO2后升至19.6%,Li2CO3的加入使SiO2掺杂Ni0.3Co0.3Mn2.16Cu0.24O4的电阻率老化系数降至0.3%。根据XPS方法对老化前后离子分布的变化的分析,该体系中老化现象的出现是离子的重新分布的结果,而老化过程中影响离子分布的因素有两个:一是老化过程中样品表面会吸附空气中的氧;二是A位的Cu+被氧化成Cu2+。SiO2的加入削弱了第一个影响因素的作用,加强了第二个影响因素的作用,使老化性能恶化;Li2CO3的加入削弱了第二个影响因素的影响,改善了老化特性,同时对电阻率和B值的影响并不大。因此Si、Li共掺对获得低电阻率、高B值、高稳定性的材料是理想的选择。

全文目录


摘要  6-8
ABSTRACT  8-13
第一章 绪论  13-30
  1.1 前言  13
  1.2 NTC 热敏电阻简介  13-21
    1.2.1 NTC 热敏电阻的发展历史  13-14
    1.2.2 NTC 热敏电阻的电阻与温度关系式  14-15
    1.2.3 NTC 热敏电阻的基本参数  15-16
    1.2.4 NTC 热敏电阻的分类及材料组成体系  16-21
  1.3 尖晶石结构NTC 热敏电阻材料的导电机理  21-28
    1.3.1 尖晶石结构的离子分布特征  21-23
    1.3.2 影响阳离子分布的因素  23-24
    1.3.3 测量阳离子分布的方法  24-26
    1.3.4 尖晶石结构NTC 热敏电阻材料的导电模型  26-28
  1.4 NTC 热敏电阻的老化机理  28-29
  1.5 本论文的主要研究内容  29-30
第二章 实验过程和测试方法  30-37
  2.1 实验原料  30
  2.2 仪器设备  30-31
  2.3 样品制备过程  31-34
  2.4 测试和表征  34-37
    2.4.1 电性能测试  34
    2.4.2 密度测试  34
    2.4.3 X 射线光电子能谱分析（XPS）  34-35
    2.4.4 X 射线衍射分析(XRD)  35-37
第三章 Si 掺杂Ni_(0.3)Co_(0.3)Mn_(2.4-x)Cu_xO_4(X=0.12,0.36)系热敏电阻的导电机理研究  37-49
  3.1 前言  37
  3.2 试验过程及样品测试  37-38
  3.3 实验结果与讨论  38-47
    3.3.1 电性能  38-39
    3.3.2 离子分布的研究  39-44
      3.3.2.1 XPS 分析  39-43
      3.3.2.2 X 射线分析  43-44
    3.3.3 导电机理  44-47
  3.4 本章小结  47-49
第四章 Si掺杂Ni_(0.3)Co_(0.3)Mn_(2.4-x)Cu_xO_4 (12≤X≤0.36)系热敏电阻相结构和电性能的研究  49-64
  4.1 前言  49
  4.2 掺杂2wt% SiO_2 对Ni_(0.3)Co_(0.3)Mn_(2.4-x)Cu_xO_4 系(12≤X≤0.36)的影响  49-54
    4.2.1 实验过程及测试  49-50
    4.2.2 X 射线衍射分析  50-52
    4.2.3 电性能  52-54
  4.3 SiO_2 添加量变化对Ni_(0.3)Co_(0.3)Mn_(2.4-x)Cu_xO_4 体系（X=0.27, 0.36）的影响  54-60
    4.3.1 实验过程及测试  54-55
    4.3.2 X 射线衍射分析  55-57
    4.3.3 电性能  57-60
  4.4 烧结温度对热敏电阻性能的影响  60-62
    4.4.1 实验过程及测试  60
    4.4.2 结果与讨论  60-62
  4.5 本章小结  62-64
第五章 Ni_(0.3)Co_(0.3)Mn_(2.16)Cu_(0.24)O_4热敏电阻老化机理研究及老化性能的改善  64-75
  5.1 前言  64
  5.2 样品制备与测试方法  64-65
  5.3 结果与讨论  65-73
    5.3.1 电性能  65-66
    5.3.2 老化机理的讨论  66-71
    5.3.3 掺杂对老化性能的影响  71-73
  5.4 本章小结  73-75
全文总结  75-77
参考文献  77-83
攻读硕士期间取得的研究成果  83-84
致谢  84

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 固体物理学 > 固体性质 > 电学性质
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