Міністерство науки та освіти України
ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Факультет фізики, електроніки та комп’ютерніх систем
Кафедра радіоелектроніки
КУРСОВА РОБОТА ЗА СПЕЦІАЛЬНІСТЮ
НА ТЕМУ:
«Синтез і дослідження оксидно-ідієвої кераміки з неомічною провідністю»
Дніпропетровськ 2009
Реферат
У роботі описані, робота виходу електрона, основні принципи вимірювання роботи виходу електрона. Окремо сконцентровано увагу на методі Кельвіна.
Вступ
Перед тим як розглядати оксидно-індієву кераміку, потрібно розглянути термін кераміка, її види, значення та ознайомитись з особливостями Індію.
Традиційним терміном кераміка називають вироби і матеріали, отримані спіканням глин, їх сумішей з мінеральними добавками, оксидів, інших неорганічних з’єднань та їх сумішей. Спікання представляє собою процес ущільнення пористого твердого тіла в області температури, при якій весь об’єм речовини ще не перетворюється в розплав [12]. При цьому ущільнення може бути як твердо фазним, так і відбуватися при участі рідкої фази.
За функціональним призначення розрізняють декоративну і технічну кераміку. За хімічними ознаками кераміку поділяють на два великих класи: оксидну та безкисневу кераміку.
Безкиснева кераміка формується на базі порошків безкисневих неметалічних тугоплавких з’єднань (боридів, карбідів, нітридів) [6]. Виходячи з характеру взаємодії керамічних виробів з навколишнім середовищем при їх експлуатації безкиснева кераміка може бути розділена по областям застосування на дві групи [6]: матеріали, що беруть участь в процесах передачі, регулювання або перетворення різних видів енергії (діелектричні, напівпровідникові, резистивні, поглинаючі, електродні) і конструкційні керамічні матеріали, пасивно сприймаючі різного роду механічні і термічні навантаження, а також дію хімічно агресивних середовищ без зміни складу, структури та особливостей матеріалу (жаростійкі, зносостійкі, вогнестійкі, хімічно стійкі матеріали).
Керамічні матеріали завоювали стійкі позиції в електронній техніці і призначаються для виготовлення резисторів з від’ємним і додатнім температурним коефіцієнтами опору, чуттєві елементи сенсорних пристроїв, варисторів, п’єзоелектричних елементів, корпусів і підкладок інтегральних схем та інших об’єктів [6].
Цікавість до оксидно-індієвої кераміки виникла з потреби змін властивостей варисторної кераміки, яка застосовується для виготовлення варисторів.
Варистор (vari(able) (resi)stor - змінний резистор) - напівпровідниковий резистор, електричний опір (провідність) якого нелінійно залежить від прикладеної напруги, тобто він має нелінійну вольт-амперну характеристику і має два виводи. Варистори використовуються для стабілізації та регулювання низькочастотних токів та напруг, високовольтні варистори використовують як запобіжники перенапруг. Щоб у цьому переконатися достатньо поглянути на вольт-амперні характеристики деяких розповсюджених типів варисторів на основі оксиду цинку та карбіду кремнію, ВАХ представлена на рис. 1.
Рис. 1. Вольт-амперні характеристики варисторів: сині — на основі ZnO, червоні — на основе SiC.
Як видно з ВАХ варисторів на основі оксиду цинку, при зміні значень сили струму – напруга залишається сталою.
Нелінійність характеристик варисторів зумовлена локальним нагрівом дотичних граней багато численних кристалів матеріалу кераміки (напівпровідникового). При локальному збільшенні температури на границях кристалів, їх опір знижується, що призводить до зменшення спільного опору варисторів.
Один з основних параметрів варистора – коефіцієнт нелінійності λ – відношення його статичного опору R до динамічного опору Rd:
,
Коефіцієнт нелінійності у варисторов на основе ZnO - 20-100.Температурний коефіцієнти опору варистору – від’ємна величина.
Дослідження неоднорідних напівпровідників з неомічною провідністю представляє цікавість для створення нових нелінійних елементів. Для цього корисно використовувати принципи та ідеї, що лежать в основі існуючих приладів, наприклад розглянутих вище, керамічних оксидних варисторів.
Для отримання оксидно-цинкової варисторної кераміки с різкою над лінійною залежністю струму від напруги, використовують невеликі добавки оксидів з великим іонним радіусом до основного оксиду з провідністю n-типу (оксид цинку), так що при спіканні у повітряному середовищі на границях зерен (ГЗ) ZnO формуються потенційні бар’єри. При цьому часто використовують добавки оксиду вісмуту і деякі інші оксиди. Результати дослідів свідчать про те, що потенціальні бар’єри на ГЗ обумовлені збідненням при поверхневих шарів зерен ZnO основними носіями заряду.
Тому для створення варисторної кераміки з особливостями, відмінними від особливостей традиційної оксидно-цинкової кераміки, виникає цікавість заміни оксиду цинку на інший оксид. С цією ціллю отримана кераміка на основі оксиду індію с додатком оксиду вісмуту, а також кераміка з додаванням оксиду стронцію. Однак встановлено, що вольт-амперні характеристики отриманих зразків та відомої оксидно-цинкової кераміки принципово відрізняються.
1. Одержання оксидної кераміки
Технологія одержання оксидної кераміки майже однакова, незалежно від типу оксиду у її складі. Далі буде розглянуто отримання оксидно-цинкової кераміки. Сировиною для виготовлення оксидно-цинкової кераміки служать, як правило, порошки оксидів металів. Щоб отримати високий коефіцієнт не лінійності майбутнього зразка до складу основного оксиду додають оксид вісмуту і оксид кобальту (чи марганцю). Також відома система з високим коефіцієнтом не лінійності ZnO – Pr6O11 – Co3O4 [38]. Ці дві системи отримали найбільше використання для виготовлення високо нелінійних варисторів. Комерційні склади окрім вказаних добавок містять ряд оксидних домішок, що впливають на класифікаційну напругу, не лінійність ВАХ в області сильних струмів, провідність в слабкому електричному полі, стабільність та інші властивості керамічних варисторів.
Процес виготовлення не омічної оксидної кераміки включає наступні етапи: важення оксидів в заданій пропорції, виготовлення однорідної суміші шляхом мокрого помолу, висушування отриманого шлікеру, пресування заготовок, спікання заготовок на повітрі при повільному підйомі температури до 1400 – 1600 К, витримці на визначений час при тій же температурі і повільному охолодженні заготовок до кімнатної температури та нанесення електродів. Реальний процес отримання кераміки для варисторів являється більш складним і містить додаткові операції. Електричні параметри кераміки сильно залежать від обраного хімічного складу і технологічного режиму на всіх етапах отримання кераміки.
Важливе значення має хімічний склад обраних оксидів. Відхилення від стехіометрії і надлишкові домішки можуть погіршити електричні властивості кераміки і зробити неможливим отримання потрібних параметрів варисторів. Хоч в керамічній технології пред’являються менш жорсткі потреби до чистоти отримуваної сировини, ніж в технології інтегральних схем, виробництво кераміки для варисторів являється напівпровідниковим з усіма випливаючи ми обставинами по відношенню до організації, наукового забезпечення та наукового супроводу такого виробництва. У вихідному оксиді цинку слід прагнути зменшити відхилення від стехіометричного відношення. В противному випадку отримана кераміка буде мати підвищену провідність. В зв’язку з цим виникає цікавість в розробці методів діагностики придатності оксидів для виготовлення з них варисторів. Важливий контроль степені стехіометрії, дисперсності оксидів і відсутності в них шкідливих домішок.
Приготування сумішей оксидів проводять частіше в кульових мельницях (обертаються циліндри, в середині яких знаходяться змішувані оксиди, дистильована вода або інша рідина та розмелюючи тіла з твердого матеріалу). Режим цієї технологічної операції впливає на властивості кераміки [3].
Дисперсність вихідних порошків оксидів (розмір часток і характер розподілу часток по розміру) представляється важливим фактором забезпечення однорідності суміші основного оксиду з домішковими оксидами. Без досягнення однорідності суміші оксидів не вдається отримати кераміку, придатну для використання в якості варисторного матеріалу. Наслідком неоднорідності хімічного складу суміші оксидів являється неоднорідність електричних властивостей кераміки, в результаті чого в процесі експлуатації варисторів виникає електричне і теплове перевантаження локальних областей і прискорюється деградація варисторів.
Вихідний порошкоподібний оксид характеризується помітною тенденцією до злипання дисперсних часток, що видно при спостереженні порошку у растровому електронному мікроскопі при достатньо великому збільшенні [39]. Причиною злипання часток оксиду слугує тенденція дисперсної системи до мінімізації вільної енергії поверхні завдяки дії сил тяжіння між колоїдними частинками. Це явище не дозволяє відбуватися гомогенізації суміші оксидів. Для підтвердження існування взаємодії між високодисперсними частинками оксидів на рис.1.1 представлено розподілення часток оксиду цинку по розміру, отримане методом розсіяння лазерного випромінювання на приладі ANALYSETTE – 22.
Рис.1.1. Розподіл часток ZnO по розміру до (1) та після ультразвукової обробки (f = 40кГц, звукова потужність 110 Вт) на протязі двох хвилин (2)
Вихідна суспензія оксиду цинку в воді характеризується постійним розподілом розміру часток в вивченому інтервалі 1-100 мкм (гістограма «1» на рис.1.1), хоч часточки оксиду цинку, по даним електричної мікроскопії, мають розміри, не перевищуючі одного мікрометра. Ультразвукове диспергування зменшує долю часток з проміжними розмірами, але не впливає на існування великих часток, які являються стійкими агрегатами, що складаються з більш менших часток (гістограма «2» на рис.1.1).
Умови і режими пресування заготовок кераміки впливають на властивості отримуваних матеріалів [3,5]. В особливості, класифікаційна напруга і коефіцієнт не лінійності зразків кераміки на основі ZnO залежать від тиску пресування заготовок [40].
В процесі спікання пресованої суміші оксидів виникають складні фізико-хімічні процеси, багато аспектів яких продовжують досліджуватись. Розглянемо основні явища, виникаючі при спіканні суміші для прикладу ZnO – Bi2O3 – Sb2O3 – Co3O4 – MnO2.
При нагріванні заготовки до температур 670-770 К виникає твердо фазна взаємодія ZnO і Bi2O3 зі створенням фази ZnO. 24 Bi2O3, на формування йде весь оксид вісмуту низькотемпературної α – модифікації. В області температур 920 – 970 К, завдяки реакціям в твердому стані, створюється фаза з структурою шпінелі Zn7Bi3Sb3O14 [42]. В області температур 1170 К виникає перехід Co3O4 виділенням кисню в стійкий при високих температурах оксид CoO, де кобальт знаходиться в двовалентному стані. В результаті цього кобальт починає інтенсивно розчинятися в решітці оксиду цинку. Цей процес відповідний за створення глибоких рівнів в оксиді цинку і зелене забарвлення готової кераміки. В цій же області температур проходить плавлення фази с структурою пирохлора, ідентифікуєме методом високотемпературної рентгенівської дифракції. Поява рідкої фази інтенсифікує процес усадки (ущільнення) заготовки. Для ілюстрації цього процесу на рис.1.2 приведені результати дилатометрії спікаємої заготовки, показуючи різке зменшення лінійних розмірів спікаємої заготовки в вузькому температурному інтервалі.
Страницы: 1, 2
