碱土金属及Mn、Cr掺杂WO<,3>功能陶瓷的制备条件和电学性质

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三氧化钨(WO3)是一种具有广泛应用前景的功能材料,在诸如电致变色、气体传感和化学催化等方面已得到较为系统的研究。近年来,人们又发现WO3陶瓷呈现出良好的以低电压小电流为特征的非线性电学性质,有望在微电子学领域得到应用。但是,由于WO3陶瓷本身结构性质的复杂性,使得目前对WO3陶瓷电学性质的认识上还没有形成一个清晰全面的物理图象。作为压敏电阻材料,其电学性质普遍存在不稳定性:多次测量后的伏安特性曲线的重复性不好;正负方向的伏安曲线不对称;存在严重的电学迟豫现象。已有研究表明,WO3电学行为的不稳定性与相共存导致的极化有关。本文从制备碱土元素和过渡元素掺杂的WO3多晶陶瓷样品出发,以其非线性电学性质为主要研究内容,试图进一步深入了解WO3功能材料的电性质。主要内容和结果有:(1)对碱土元素(Ca、Sr和Ba)掺杂的WO3陶瓷进行了研究。实验发现,Ca、Sr和Ba掺杂均能不同程度地促进晶粒的生长,特别是Sr和Ba掺杂的样品晶粒形状发生了明显的变化,由原来的球形变为片状形。碱土元素掺杂样品的相结构仍是单斜相和三斜相共存,因而表现出了电学的不稳定性。若均在空气中烧结,Ca和Ba都不能提高WO3的非线性系数,而Sr掺杂的样品,能呈现较高的非线性,最大非线性系数为8.7。但在氧气氛中烧结时,Ca掺杂的WO3陶瓷非线性明显得到改善,最大非线性系数达13;(2)对过渡元素Mn和Cr的氧化物掺杂进行了研究。我们发现,Mn掺杂不仅可以促进晶粒的生长,而且可以明显提高WO3陶瓷的电学非线性,最大可达9.5左右,但电学稳定性较差。在MnO2·WO3的基础上添加Cr2O3,晶粒生长受到明显地抑制,此时非线性系数虽然降低,但同时改善了体系的电学稳定性;(3)结合本文的实验事实,指出现有的压敏理论模型的适用性及局限性。我们认为现有的理论模型不能完全解释WO3基多晶陶瓷中的电输运特性,同时应考虑WO3陶瓷中的晶相共存、铁电极化和缺陷极化等因素对电输运的影响。
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