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研究生:楊盛如
研究生(外文):YANG, SHENG-RU
論文名稱:添加劑對TiO�祠t陶瓷微觀結構及電性影響的探討
論文名稱(外文):Effects of additives-(Ba, Bi, Nb, Cu) on microstructures and electrical properties of TiO��-based ceramics
指導教授:吳振名
指導教授(外文):WU, ZHEN-MIN
學位類別:博士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:材料科學工程研究所
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:1992
畢業學年度:80
語文別:中文
論文頁數:168
中文關鍵詞:添加陶瓷微觀結構電性影響
相關次數:
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一、前言
結晶性的氧化物陶瓷可以被使用做為絕緣體,電容器介質、導體等,而性質上可以
為金屬性、半導性、離子性、歐姆性、非歐姆性、鐵電性等。在各種的應用當中。
表面及介面效應該是最具重要性的。於一陶瓷體中,晶界的組成及結構直接和陶瓷
體的晶體特性有關,而在晶界處所發生的電荷移轉過程,又和它所表現出來的電性
行為有著極其密切的關係。因此,由晶界現象所主導的電子陶瓷系統一直受到廣泛
的注意。有一具有如此特性的著名元件是金屬氧化物變阻體(metal oxide varist-
or) ,它的工作原理是相似於一背靠背的蕭特基能障模型(back-to-back Schottky
diode),此一方式可以由元件的兩個方向限制一過電壓的通過。 ZnO, SrTiO 和
TiO 是金屬氧化物變阻體中最為知名的三種材料。理論上,對於一n-型半導體
的晶界障層而言,它所擁有的變阻行為是結合一具有過量負電荷的晶界,和緊靠著
晶界的電子空乏區。由各不同的研究顯示,添加劑勿庸置疑的是造成如此晶界障層
形成的重要因素。
於1982年,Yan 和Rhodes首先報告一(Nb, Ba)-doped TiO陶瓷系統具有一有效
用的變阻特性其非線性指數大約是3-4左右,在以往此系統被視為一具有超高介電
性的電容器。同時,他們也提出如果此陶瓷系統欲產生好的變阻效應,在燒結完的
冷卻過程,一氧化性氣氛的使用是必須的。而所添加的Ba會偏析至晶界以形成變阻
特性,Pb則被溶入晶格內以降低其電阻率,但是較為詳細的研究探討則顯然未被執
行。
最近Pennewiss 和Hoffmann亦探討了微量Al添加之 TiO系陶瓷之氧化條件對電性
的影響。最佳的非線性指數α∼7,然而此一特性經分析結果,是來自於試片相反
兩面的表面氧化層,並非來自於試片內部的晶界效應。一般而言,表面氧化層型變
阻體具有較低的崩潰電壓,同時具有較小的能量吸收能力。
而在我們實驗室,過去有關 (Ba,Nb)-added TiO陶瓷的介電電性方面研究顯示,
此系統的晶界障層一來太薄,二來太低無法有效的阻擋電荷的移動。因此,表現出
來的變阻特性並不好。而Yan 和Rhodes所提出的研究結果顯示,雖已具有可用之變
阻特性但尚不夠好,另外,在製程上需要有一氧化氣氛的熱處理。因此,對於如何
增進 TiO系陶瓷變阻特性及仔細探討添加劑在其中扮演的角色為何,有著極高的
興趣。在一些以往的工作中,已有(Ba,Nb)-added TiO 變阻體被報告過。現今我
們已發展出一新的(Ba,Bi,Nb)-added TiO系陶瓷變阻體,同時也對其燒結溫度、
燒結時間、氣氛補償、添加劑在微觀結構,變阻特性及其它電性上的影響做一番研
究。如此 TiO系陶瓷已可證明具有為一有效變阻體材料的相當潛力,所得最佳的
非線性指數α∼12,發生於組成份 (1 cat﹪ Ba, 1 cat﹪ Bi, 0.25 cat﹪ Nb,
0.025 cat﹪ Cu)-added TiO 陶瓷系統,此試片於1350℃燒結2小時。兩種特別
的晶界相Ba-rich 和Bi-rich 擬液相亦被觀察和分析。

二、重要結果簡述
本論文主要研究,共分五個部份:
首先,一(Ba, Bi, Nb)-added TiO系陶瓷變阻體被燒結由1250℃至1400℃,其燒
結試片,微觀結構,及電性變化的特性均被仔細研究。Ba和Bi的同時添加會有一最
多量的晶界相,及最小的試片重量損失發生在1350℃。相較之下,Ba或Bi的單獨添
加並不會有如此的現象。而所觀察的晶界相有一Bi-rich 的相,及一Ba-rich 的液
相,它們具有包覆晶粒的現象,但並非為連續性。而晶界相的變化和電性上的變化
有相當一致的關聯性。而所得到最有效晶界障層的形成條件是發生在Ba和Bi須同時
添加於1350℃燒結2小時。所得最高的非線性指數α∼9.5,而其相關性質有Vgb
∼ 0.8V,EB ∼ 0.42eV,Keff ∼ 20,000 。而Ba或Bi的單一添加則得到全然相
反的結果。
第三部份,我們企圖去探究第三個添加劑,Nb,對此 TiO系陶瓷變阻體的作用為
何。Nb含量的變化由0.125 至1.0 cat﹪ ,而其他的添加劑含量則保持一個定值,
不做變化。結果顯示,一適當的添加量0.25 cat﹪,對於變阻特性而言是恰當的。
而因Nb含量變化所導致的變阻特性變化亦經由一點缺陷模型來討論。其中有兩種因
Nb的添加所造成之不同的缺陷方程式,被使用去闡釋如此變阻行為的變化。
第四部份,燒結的一重要參數-燒結時間變化,亦被探究。所選用的燒結時間為0,
1/4,1/2,1/2,4 小時,燒結溫度亦被固定於1350℃而試片組成被固定於1 cat﹪ Ba
, 1 cat﹪ Bi, 0.25 cat﹪ Nb 。結果顯示,有效的晶界障層在燒結的早期即迅速
的被形成。當燒結時間超過一個小時,變阻特性的變化即趨近一飽和程度,而一最
好的燒結時間顯然是約發生在2小時的燒結。
最後一部份的研究,企圖去探討少量的Cu添加對變阻特性和相關電性的影響。Cu的
含量變化由0至0.1 cat﹪,同時試片其他添加劑的含量亦均固定。結果顯示,適量
的Cu添加,0.025 cat﹪,對於變阻特性的增進是有助益的。而所得到的α和Vgb10
分是12和1.0V。在本研究中所添加的較低價數Cu於TiOrutile phase 晶格中,為
一授體(acceptor),一般而言,增加Cu的添加量會造成晶粒電阻率的上升,此乃因
供做傳導用的電子濃度被減少所致。較高的Cu添加量,0.075和0.1 cat﹪,其行為
相似於一高阻抗的電阻,而不具有變阻行為。
誌謝
中文摘要
合格證明
Table of Contents
Abstract
List of Tables
List of Figures
Chapter 1 Introduction
1.1 Introduction
1.2 References
Chapter 2 Fundamentals
2.1 Crystal Structure
2.2 Impedance Analysis
2.3 Space Charge Polarization
2.4 References
Chapter 3 Experimental Procedure
3.1 fabrication process
3.2 Electrical Measurement
3.3 Phase Identification and Microstructure Observation
3.4 TGA Measurement and Weight Loss Observation
3.5 EDAX Analysis
Chapter 4 Novel Niobium Doped Titania Varistor Added with Barium and Bismuth
4.1 Abstract
4.2 Results
4.3 Discussion
4.4 Conclusions
4.5 References
Chapter 5 Varied Atmosphere Compensation-Exploring the Roles of Barium and Bismuth in(Ba,Bi,Nb)-Added TiO2 Varistors
5.1 Abstract
5.2 Results
5.3 Discussions
5.4 Conclusions
5.5 References
Chapter 6 Effects of Nb2O5 in(Ba,Bi,Nb)-Added TiO2 Ceramic Varistors
6.1 Abstra0ct
6.2 Results
6.3 Discussions
6.4 Conclusions
6.5 References
Chapter 7 Influence of Sintering Time on(Ba,Bi,Nb)-Added TiO2 Ceramic Varistors
7.1 Abstract
7.2 Results
7.3 Discussions
7.4 Conclusions
7.5 References
Chapter 8 Effects of CuO on(Ba,Bi,Nb)-Added TiO2 Ceramic Varistors
8.1 Abstract
8.2 Results
8.3 Discussions
8.4 Conclusions
8.5 References
Chapter 9 General Conclusion and future Work
9.1 General Conclusion
9.2 Future Work
Appendix
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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