BaSnO<,3>半导体陶瓷的制备及其电性能研究

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本学位论文是关于BaSnO3半导体陶瓷材料的制备技术及电性能方面的研究。首先,通过对传统的固相烧结法制备工艺进行改进和优化,包括引入合适配比的助烧剂,增大生坯成型的锻压力,合理控制烧结温度和时间等,用BaCO3和SnO2作为制备BaSnO3陶瓷的主成份,在1450℃下制得了性能良好的BaSnO3半导体陶瓷,解决了长期困扰研究者的BaSnO3陶瓷成瓷困难的问题。微结构测试表明,材料结构致密,相对密度大于理论值的97%,晶粒生长良好,晶粒尺寸在4~10μm,平均粒径约为8μm,晶界结构清晰,未见明显的第二相存在。 详细考察了Na2CO3、Li2CO3和Mn(NO3)2作为受主掺杂对N型半导化BaSnO3陶瓷晶界电性能的影响。实验发现,单纯的Na2CO3或Li2CO3掺杂都不能有效提高BaSnO3半导瓷的晶界势垒,而它们与Mn(NO3)2复合掺杂可有效增强陶瓷的晶界效应。随Mn(NO3)2掺杂量的增加,陶瓷晶界势垒有增大的趋势,但浓度过大时,会严重影响晶粒的导电性能。合适的配比掺杂可以使BaSnO3半导瓷的晶界势垒达0.5eV,材料电阻率为3.3×106O·cm,晶粒电阻率在4.3O·cm,表观介电系数er=1.9×104(1KHz),1KHz到6MHz之间的损耗小于0.4,初步解决了BaSnO3半导瓷晶界势垒难以做高的问题。 微量掺杂Sb2O3助烧作用显著,会明显提高材料的致密度,降低材料成瓷温度,增大其掺量,可以使材料在1350℃基本成瓷。但Sb2O3掺杂量的增加会补偿偏析于晶界的受主,导致陶瓷的晶界势垒减小。烧结温度对BaSnO3半导瓷的性能起着至关重要的作用,随温度的降低,陶瓷的成瓷效果逐渐变差,电性能迅速恶化。研究显示,在145O℃下烧结,可以获得晶相单一,结构良好的样品,材料电性能也相应较好。对样品进行二次大气中的热处理实验,结果显示该工艺会降低BaSnO3半导瓷的晶界势垒,原因是晶粒内部的氧空位向晶界扩散。对作为高价施主掺杂的Ta2O5的引入对BaSnO3陶瓷晶粒半导化的作用不显著。 本研究认为在BaSnO3半导瓷中,晶粒因含有大量氧空位而呈N型半导化,受主杂质偏析于晶界提供受主界面态,从而提出了双肖特基势垒热电子发射的导电模型。用此导电机制合理解释了本研究中制备的一些样品所表现出的电性能特性,如Ⅰ-Ⅴ非线性和电阻NTC特性。
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