Abstract
論文之整體架構，包括了雙成份ZnO-V2O5多晶陶瓷體燒結現象與變阻性質之基礎研究，並且針對Mn3O4添加劑的影響做系統性的探討；此外，也對釩基氧化鋅之低溫燒結特點，利用水系刮刀成型技術將之做成多層元件，評估它與塊體之間的電性改變。第一部份先就本實驗室所率先開發之釩基氧化鋅與商業變阻元件做電性方面的比較，事實顯示釩基氧化鋅新材料已經具備商業之應用價值。文中另外針對傳統之晶界能障計算公式提出了重點修正，利用氧化鋅變阻元件之C-V與V-I特性，經由數學關係式的處理，更能合理的計算出晶界能障高度和施體濃度。第二部份主要在探討雙成份ZnO-V2O5多晶陶瓷體之燒結緻化行為與V-I之非線性現象。氧化鋅900C的燒結微觀結構顯示，純ZnO晶粒在形態上具有相當均勻的等軸性，但是在摻雜V2O5之後則呈現出異常的晶粒成長現象。添加V2O5可以提高ZnO晶粒的成長速率，藉由熱膨脹儀，X光繞射與 SEM-EDS的綜合分析，可以確定V2O5在燒結過程中形成了富釩晶界液相幫助燒結所致。由於ZnO-V2O5也具有特殊的雙相微結構，它的導電行為為典型的Schottky能障控制電流模式，它的變阻特性實質反映了晶界能障層之效應。第三部份的研究重點擺在Mn3O4添加劑對ZnO-V2O5陶瓷變阻性質和微觀結構的影響。在微觀結構方面，Mn3O4改變了Zn3(VO4)2晶界二次相的結晶構造，並且緩和了ZnO- V2O5異常晶粒成長所帶來的不均勻微結構；在電性方面， Mn3O4明顯改善了ZnO-V2O5陶瓷的變阻特性。研究結果中比較值得注意的是，ZnO-V2O5-Mn3O4在900C燒結2小時，非線性係數即可達到40左右。第四部份針對眾說紛紜的劣化現象提出了新的實驗證明。 550C低溫熱處理會造成空乏區之施體濃度上升，而這些低活化能之施體，受到空乏區強大電場的牽引和高溫熱能的激發，逐漸由晶粒內部遷移至晶界處；晶界能障受此影響而開始下降，並且導致電流的上升現象。ZnO-V2O5-Mn3O4經由適當的燒結控制，不須熱處理即具備相當優越之電氣穩定性。陶瓷在550-750C熱處理2小時，反而會導致漏電流的增加，低頻介電損失的提高。這些現象與晶界能障因熱理而改變關係密切。第五部份嘗試將釩基氧化鋅陶瓷粉末製做成多層晶片型變阻元件。利用水系刮刀成型技術配合Pd/Ag內電極，在 900C之低溫燒結環境，成功製做了崩潰電壓11.1V，非線性係數為14之多層變阻元件。藉由陶瓷層厚度的控制或燒結溫度的選擇，元件的崩潰電壓值最小可以降低至3V。