ZnO压敏陶瓷与电极层之间的界面研究以及界面性质对导电特性、老化的影响

It has important significance to research the conductive properties and aging mechanisms of ZnO varistor ceramic for investigating its lifetime and reliability. But the relative theories have not been completed. Our previous work show that the aging of ZnO varistor ceramic firstly occur at the interfaces between ZnO varistor ceramic and electrodes coating. However, the regular pattern between them has not been understood clearly. Therefore, this project aims to analyze the differences of the chemical structure and bulk phase of the interfaces, chemical composition and state distributed in the vertical direction of the surface, the formed location of the defects, chemical structure difference between defect location of interfaces and bulk material etc. Based on this, establish actual conduction model of the interface, simulate the conductive properties of the interface using the simulation method under different excitation conditions, analyze the effect of interfacial properties and electrode materials on the conductive properties, then investigate the effect of the interface properties and electrode materials on aging, improve relative theories of the conductive properties and aging of ZnO varistor ceramics, provide a reference for improving the lifetime and reliability of ZnO varistor ceramics.

研究ZnO压敏陶瓷的导电特性、老化机理对其寿命、可靠性具有重要意义，但是相关理论还未达到完善化的程度。我们的前期研究表明，ZnO压敏陶瓷的老化首先发生在陶瓷体与电极层之间的界面，但该界面对老化的影响规律尚不明了。因此，本项目拟通过分析该界面的化学结构和体相的差别、化学元素组成及其化学状态在垂直表面方向上的分布、缺陷形成的局部位置、界面缺陷区域同正常区域化学结构的差异等。在此基础上，建立该界面的实际导电模型，采用仿真手段模拟该界面在不同激励条件下的导电特性，分析界面性质、电极材料对导电特性的影响，进而研究界面性质、电极材料对老化的影响规律，完善现有ZnO压敏陶瓷导电特性、老化机理的相关理论，为提高ZnO压敏陶瓷寿命及可靠性提供借鉴。

ZnO压敏陶瓷是一种多晶氧化物半导体，作为过电压保护器在全世界电力系统、电子线路、微电子线路中得到广泛应用。众多学者对ZnO压敏陶瓷的导电特性以及老化机理给出了比较合理的解释，但是仍需进一步完善。项目完成了以下四个方面的研究工作：.a. ZnO压敏陶瓷与电极层之间的界面微观组织结构研究；.b. 样品在8/20μs波形、直流电场、交流电场作用下发生的物理变化研究；.c.直流或交流负载对样品脉冲老化寿命的影响规律研究；.d.不同电极材料对ZnO压敏陶瓷电性能的影响研究。.研究中发现电极材料对样品脉冲性能、工频电流老化性能、直流老化性能的影响不大，而ZnO压敏陶瓷表层缺陷对电性能影响最为显著，是导致样品性能下降的主要原因；发现晶界处肖特基势垒在脉冲电流作用下会发生“自增强”现象，该现象能显著提高样品的老化寿命。.在前期理论研究成果的指导下，创新性的采用复合施主掺杂能够降低晶粒电阻，增加了“自增强”作用的效果；采用了陶瓷表面处理和水热法制备氧化物复合粉体方法来降低ZnO压敏陶瓷的表层缺陷，提高了ZnO压敏陶瓷的电性能。前述的研究成果共申请国家发明专利9件，其中3件发明专利获得授权，6件发明专利处于实质审查阶段。专利技术在ZnO压敏陶瓷的生产企业（贵阳高新益舸电子有限公司）获得转化应用，取得较好的社会效益。