The present study aims at the examination of the effects of 1 mol% NiO addition on the reaction, microstructure development, resultant electrical properties, and especially the bulk trap and interface state levels of $ZnO-Bi_2O_3-Sb_2O_3$ (Sb/Bi=0.5, 1.0, and 2.0) systems (ZBS). The sampl...
The present study aims at the examination of the effects of 1 mol% NiO addition on the reaction, microstructure development, resultant electrical properties, and especially the bulk trap and interface state levels of $ZnO-Bi_2O_3-Sb_2O_3$ (Sb/Bi=0.5, 1.0, and 2.0) systems (ZBS). The samples were prepared by conventional ceramic process, and characterized by density, XRD, SEM, I-V, impedance and modulus spectroscopy (IS & MS) measurement. The sintering and electrical properties of Ni-doped ZBS (ZBSN) systems were controlled by Sb/Bi ratio. Pyrochlore ($Zn_2Bi_3Sb_3O_{14}$) was decomposed more than $100^{\circ}C$ lowered in ZBS (Sb/Bi=1.0) by Ni doping. The reproduction of pyrochlore was suppressed by the addition of Ni in ZBS. Between two polymorphs of $Zn_7Sb_2O_{12}$ spinel ($\alpha$ and $\beta$), microstructure of ZBSN (Sb/Bi=0.5) composed of a-spinel was more homogeneous than $Sb/Bi{\geq}1.0$ composed of $\beta$-spinel phase. In ZBSN, the varistor characteristics were not improved drastically (non-linear coefficient $\alpha\;=\;6{\sim}11$) and independent on microstructure according to Sb/Bi ratio. Doping of Ni to ZBS seemed to form ${V_0}^{\cdot}$ (0.33 eV) as dominant bulk defect. From IS & MS, especially the grain boundaries of Sb/Bi=0.5 systems were divided into two types, i.e. sensitive to oxygen and thus electrically active one and electrically inactive intergranular one with temperature.
The present study aims at the examination of the effects of 1 mol% NiO addition on the reaction, microstructure development, resultant electrical properties, and especially the bulk trap and interface state levels of $ZnO-Bi_2O_3-Sb_2O_3$ (Sb/Bi=0.5, 1.0, and 2.0) systems (ZBS). The samples were prepared by conventional ceramic process, and characterized by density, XRD, SEM, I-V, impedance and modulus spectroscopy (IS & MS) measurement. The sintering and electrical properties of Ni-doped ZBS (ZBSN) systems were controlled by Sb/Bi ratio. Pyrochlore ($Zn_2Bi_3Sb_3O_{14}$) was decomposed more than $100^{\circ}C$ lowered in ZBS (Sb/Bi=1.0) by Ni doping. The reproduction of pyrochlore was suppressed by the addition of Ni in ZBS. Between two polymorphs of $Zn_7Sb_2O_{12}$ spinel ($\alpha$ and $\beta$), microstructure of ZBSN (Sb/Bi=0.5) composed of a-spinel was more homogeneous than $Sb/Bi{\geq}1.0$ composed of $\beta$-spinel phase. In ZBSN, the varistor characteristics were not improved drastically (non-linear coefficient $\alpha\;=\;6{\sim}11$) and independent on microstructure according to Sb/Bi ratio. Doping of Ni to ZBS seemed to form ${V_0}^{\cdot}$ (0.33 eV) as dominant bulk defect. From IS & MS, especially the grain boundaries of Sb/Bi=0.5 systems were divided into two types, i.e. sensitive to oxygen and thus electrically active one and electrically inactive intergranular one with temperature.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서 본 연구에서는 기본계인 ZBS계에 NiO 를 첨가함에 따라 소결과 전기적 특성 및 입계 특성을 살펴봄으로써 NiO의 역할을 보다 상세하게조사하였다.
제안 방법
IS & MS의 측정은 HP4194A를 이용하여 100 Hz~15 MHz 주파수 대역에서 소형 튜브로를 이용하여 온도를 상온에서 200~780 K까지 20 K 간격으로 승온하면서 R-X값을 측정하여 각 측정온도의 Z"max(= R/2) 로부터 비저항(P)을 계산하고 lnp vs. 1000/T plot (식 (3))을 통하여 그 기울기로부터 계면(입계) 활성화 에너지(Ea)를 구하였다 [9-13], 또한 M* = jmCoZ, = M'+jM" 관계식[9]에따라 각 측정온도의 M"max(= 2G/C)로부터 정전용량(C)을 계산하고 InT vs. 1000/T plot (식 (4))에서 그 기울기로부터 결함의 이온화 에너지 또는입계의 활성화 에너지를 구하였다.
NiO를 첨가한 ZnO-Bi2O3-Sb2O3 (Sb/Bi=2.0, 1.0, 0.5) 4성 분계(ZBSN)의 소결 및 전기적 특성에대하여 밀도, XRD, 미세구조, PV, 및 IS & MS 등을 이용하여 살펴본 결과 다음과 같은 결론을얻었다.
0 일 때보다 우수하였다. NiO를 첨가함에 따라 계는 산소공공(K')을우선적으로 생성하였으며, 입계는 상온에서 단일입계를 형성하다가 주위 산소와 반응하는 온도 부근에서 주위 산소에 민감하게 반응하는 입계(L3 eV)와 그렇지 않은 입계(0.95 eV)로 분리되는 현상을 확인하였다. 즉, Bi-rich 상이상대적으로 많을 경우 입계는 온도가 높아짐에 따라 주위 산소의 흡.
8Vbk에서의 전류 밀도 값으로 정하였다. 또한 pre-breakdown 영역의 J~E plot의 기울기로부터 Sb/Bi비에 따른 상온 비저항(pgb [Qcm])을 구하였다.
5)과 P-스피넬상(Sb/Bi2 L0)이 달리 생성되었으며, a-스피넬상이 생성된계에서 보다 균일한 미세 구조를 나타내었다. 또한바리스터 특성에 악영향을 미치는 파이로클로어의생성을 효과적으로 억제시켰으며, 가열할 때 파이로클로어의 분해를 촉진시켜 계의 치밀화를 촉진시켰다. 바리스터 특성은 크게 개선되지 않았으며 (비선형계수 a = 6-11), 미세구조의 균일성과는 크게 무관하였고, Sb/Bi>1.
, Japan)로 분석하였으며, 소결 시편의 밀도는 Archimedes법으로 구하였다. 소결체의 미세구조는 거울 면 연마하여 0.4% 초산수용액으로 화학 에칭하여 SEM (S-4200, HITACHI, Japan)으로 관찰하였으며, 대략적인 상의 분포는 BEI (Backscattered Electron Image: RBH-4200 5MC, ROBINSON, Australia)로 관찰하였다. 각 조성의 I-V 및 IS & MS 특성 측정용 시편은 소결 시편을 1.
ZBSN계에서 Sb/Bi 비가 증가할수록 J-E 특성이향상되는 경향을 보이지만 상용 바리스터 특성이갖는 높은 비선형 계수(a>30)에는 못 미치는 결과를 보였다(그림 4, 표 2 참고). Sb/Bi비가 증가함에따라 1100℃에서 비선형 계수(a)는 9 (Sb/Bi=0.
이는 a-스피넬상이 우선적으로생성된 Mn을 첨가한 ZBS계에서 나타나는 현상과동일한 결과로서 a-스피넬의 생성에 의한 미세구조의 균일화 효과로 볼 수 있겠다[10]. 따라서 ZBS계에 Ni를 첨가할 경우 Sb/Bi 비에 따라 생성되는 스피넬상의 종류(a 또는。)에 의해 미세구조는 큰 차이를 나타냄을 확인하였다. 즉, ZnO 바리스터 조성을 개발하는 단계에서 NiO를 첨가제로사용할 경우 Sb/Bi 비가 1.
이러한 입계 분리 현상은 ZBS계에서 확인되고 있으며[6], Bi-rich 상과 ZnO와 이루는 전기적으로 비활성인 입계와 ZnO-ZnO 계면에 형성되는 전기적 활성 입계로 분리해서 해석하는 보고[3, 9]와 일치한다. 또한 ZBSN계의 입계는 RgbiQM병렬)과 Reb2Csb2( 병렬)이 서로 직렬로 연결된 등가 회로로 구성되어 있으며, 전기적으로 비활성인 입계의 정전용량(Cgb2~0.94 nF》은 온도에 관계없이 거의 일정함을 확인할 수 있었다.
또한바리스터 특성에 악영향을 미치는 파이로클로어의생성을 효과적으로 억제시켰으며, 가열할 때 파이로클로어의 분해를 촉진시켜 계의 치밀화를 촉진시켰다. 바리스터 특성은 크게 개선되지 않았으며 (비선형계수 a = 6-11), 미세구조의 균일성과는 크게 무관하였고, Sb/Bi>1.0 일 때보다 우수하였다. NiO를 첨가함에 따라 계는 산소공공(K')을우선적으로 생성하였으며, 입계는 상온에서 단일입계를 형성하다가 주위 산소와 반응하는 온도 부근에서 주위 산소에 민감하게 반응하는 입계(L3 eV)와 그렇지 않은 입계(0.
입계 저항은 이상 구간(540~640 K) 전후에서는 log 스케일로 감소하지만 이상구간에서는 증가하였으며, 입계 정전용량은 입계 저항이 나타내는 온도구간과 다소 차이는 있지만 이상구간에서 증가하다가 그 이상의 온도에서는 2개의 값으로 나타났다. 즉, 이상 구간에서는 산소 흡.
따라서 ZBS계에 Ni를 첨가하면, 1000℃ 이상에서 스피넬 상은 Sb/Bi 비에 따라 a- 또는。-스피넬로 존재하며, 파이로클로어상은 고온에서 분해된 후 냉각 시거의 재합성되지 않았다. 즉, ZBS계에 Ni를 첨가할 경우 파이로클로어의 재생성을 효과적으로 억제시킴을 알 수 있다.
참고문헌 (10)
D. R. Clarke, 'Varistor ceramics', J. Am. Ceram. Soc., Vol. 82, No. 3, p. 485, 1999
M. Inada and M. Matsuoka, 'Advances in Ceramics, Vol. 7', Am. Ceram. Soc., Columbus, OH, p. 91, 1983
J. Kim, T. K. Kimura, and T. Yamaguchi, 'Sintering of zinc oxide doped with antimony oxide and bismuth oxide', J. Am. Ceram. Soc., Vol. 72, No. 8, p. 1390, 1989
F. Greuter and G. Blatter, 'Electrical properties of grain boundaries in polycrystalline compound semiconductors', Semicond. Sci. Technol., Vol. 5, No. 2, p. 111, 1990
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.