[發(fā)明專利]一種氧化鋅壓敏電阻單晶界老化特性的測試方法

有效

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• 申請日: 2013-06-28
• 公開（公告）號: CN103336210A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 何金良;程晨璐;胡軍;曾嶸;張波;余占清
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學
• 主分類號: G01R31/00
• 分類號: G01R31/00
• 代理公司: 北京清亦華知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 羅文群

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種氧化鋅壓敏電阻單晶界老化特性的測試方法，尤其涉及一種基于空間電荷的氧化鋅壓敏電阻單晶界老化特性的測試方法，屬于電工材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

ZnO壓敏電阻具有優(yōu)異的非線性伏安特性和較好的沖擊能量吸收能力，是電力系統(tǒng)中金屬氧化物避雷器的核心元件。在電力系統(tǒng)的長期工作電壓或瞬時沖擊電流作用下，ZnO壓敏電阻閥片會出現(xiàn)老化現(xiàn)象，從而對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行造成潛在的威脅。特別是近年來，隨著大規(guī)模特高壓直流輸電工程的建設(shè)與投運，長期直流電壓作用下ZnO壓敏電阻閥片相較于交流情況下老化情況更為惡劣，成為了制約直流輸電技術(shù)發(fā)展的重要瓶頸。

現(xiàn)有的ZnO壓敏電阻老化測試方法往往局限于ZnO壓敏電阻在承受一定時間的電、熱或電熱共存的老化試驗之后表觀特征的測量對比，如觀察老化前后非線性系數(shù)、泄漏電流、掃描電鏡下的微觀結(jié)構(gòu)等的變化，而無法揭示其內(nèi)在的成因與特性。學術(shù)界基于一系列間接的實驗證據(jù)普遍認為，ZnO壓敏電阻的老化成因是在電與熱的共同作用下，壓敏電阻內(nèi)部的晶界區(qū)域發(fā)生了離子遷移與中和，使晶界區(qū)域的雙肖特基勢壘下降，從而導致了老化現(xiàn)象的產(chǎn)生，但是晶界區(qū)域離子的遷移過程從未被直接觀測到。屠幼萍等曾針對ZnO壓敏電阻閥片使用脈沖電聲法(以下簡稱PEA)進行測量，試圖通過測量其內(nèi)部的空間電荷分布的改變來揭示離子遷移過程。PEA法的基本原理是：對待測樣品施加的納秒級的電脈沖會誘使樣品內(nèi)部的電荷產(chǎn)生攝動，該攝動會產(chǎn)生一個沿著樣品厚度方向傳播的聲波，使用壓電傳感器將聲波轉(zhuǎn)換成電信號并用示波器進行觀測。獲得的電信號的幅值與電荷的密度相關(guān)，而電信號的時延則與電荷的具體位置相關(guān)。PEA法一般用于片狀樣品的測量，并默認該片狀樣品內(nèi)部的空間電荷分布只沿著樣品厚度方向發(fā)生改變。但是普通的氧化鋅壓敏電阻閥片內(nèi)部的晶界結(jié)構(gòu)是蜿蜒曲折的復(fù)雜三維網(wǎng)絡(luò)，晶界附近的帶電離子在外界施加的納秒級電脈沖作用下產(chǎn)生的聲波信號亦會向三維方向產(chǎn)生散射，從而得到的最終空間電荷分布無法正確描述內(nèi)在的帶電離子分布情況。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提出一種氧化鋅壓敏電阻單晶界老化特性的測試方法，尤其涉及一種基于空間電荷的氧化鋅壓敏電阻單晶界老化特性的測試方法，改變已有的老化特性測試方法，以正確描述氧化鋅壓敏電阻單晶界中帶電離子隨時間的分布情況，從而得到ZnO壓敏電阻老化過程中內(nèi)在的變化。

本發(fā)明提出的氧化鋅壓敏電阻單晶界老化特性的測試方法，包括以下步驟：

（1）制備用于空間電荷測量的具有雙晶結(jié)構(gòu)的氧化鋅樣品：

（1-1）制備一塊長為20毫米、寬為20毫米、高為2毫米的氧化鋅單晶，對氧化鋅單晶的用于接觸摻雜薄層的接觸面打磨成鏡面態(tài)，氧化鋅單晶的接觸面晶軸取向為[0001]、[11-20]或[10-10]；

（1-2）制備流延漿料，流延漿料中各組分的質(zhì)量百分比為：

上述金屬氧化物混合粉料中，各組分的質(zhì)量百分比為：

將用于制備流延漿料的上述組分混合并球磨6～12小時，得到混合均勻的水基漿料。

（1-3）采用水基流延的方法，用上述流延漿料制備厚度為50～200微米的摻雜薄膜，在60～80℃溫度下干燥4～6小時，將得到的摻雜薄膜切割成與氧化鋅單晶的上述接觸面相同面積的小塊；

（1-4）將上述制備的氧化鋅單晶與上述摻雜薄膜小塊相疊，制成一個ZnO單晶—摻雜薄膜—ZnO單晶的三明治結(jié)構(gòu)，其中摻雜薄膜與上述接觸面緊密貼合，并使兩個ZnO單晶中的一個ZnO單晶相對于摻雜薄膜和另一個ZnO單晶共軸旋轉(zhuǎn)0～90°，得到具有不同共格晶界類型的雙晶結(jié)構(gòu)ZnO樣品；

（1-5）將上述ZnO樣品置于磨具中，加熱至1050℃，保溫60分鐘后，隨爐冷卻；

（2）對上述氧化鋅樣品的上下表面持續(xù)施加1～3V的直流偏壓，并使環(huán)境溫度從0～80℃逐漸升溫，每隔10分鐘，對氧化鋅樣品的上下表面施加脈沖寬度為1～10納秒、幅值為10～100伏的電脈沖，采用電聲脈沖法測量氧化鋅樣品內(nèi)部的空間電荷分布，得到跟測量時間的氧化鋅樣品的空間電荷分布信號；

（3）將上述空間電荷分布信號進行去噪、去卷積處理，并從各測量時間的空間電荷分布信號中截取晶界臨近區(qū)域的信號，根據(jù)晶界臨近區(qū)域信號中氧化鋅樣品內(nèi)不同位置的空間電荷幅值的減小，觀測氧化鋅樣品內(nèi)部的帶電離子的遷移與中和，從而得到氧化鋅壓敏電阻的單晶界老化特性。

本發(fā)明提出的氧化鋅壓敏電阻單晶界老化特性的測試方法，具有以下優(yōu)點：