ارزیابی اثر افزودنی اکسید تالیوم بر ریزساختار و خواص الکتریکی وریستورهای اکسید قلع‌ در کاربرد ولتاژ بالا

نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده فنی دانشگاه مراغه

2 گروه مهندسی مواد، دانشکده فنی، دانشگاه شهرکرد

چکیده

در این تحقیق به بررسی اثر افزودن اکسید تالیوم در درصد‌های مولی0 ، 1/0 ،25/0 ، 5/0 و 1 بر ریزساختار و خواص الکتریکی وریستورهای بر پایه اکسید قلع در کاربرد ولتاژ بالا پرداخته شده است. نتایج الگوی پراش اشعه ایکس (XRD) و تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی (FESEM) نشان می‌دهد که علاوه بر فاز اکسید قلع، فاز ثانویه‌ای اکسید تالیوم در نمونه‌های حاوی اکسید تالیوم با درصد مولی بیشتر از 25/0 وجود دارد. با افزودن اکسید تالیوم به وریستور اکسید قلع اندازه متوسط دانه از µm 4 در نمونه بدون افزودنی اکسید تالیوم تا µm 3/2 در نمونه حاوی 1 درصد مولی کاهش می‌یابد که می تواند ناشی از اثر فاز ثانویه بر کاهش رشد دانه بر اساس سازکار و کار زنر باشد. بهترین خواص الکتریکی غیراهمی در نمونه دوپ شده با 5/0 درصد اکسید تالیوم با جریان نشتی µA/cm2 95 و ضریب غیرخطی (1/15) مشاهده شده است. علاوه براین، میدان الکتریکی شکست در این نمونه در حدود V/mm 532 است. افزودن مقدار بیشتر اکسید تالیوم تاثیر چندانی بر ضریب غیرخطی ندارد اما سبب افزایش ولتاژ شکست بدلیل کاهش اندازه دانه می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

The study of Tl2O3 addition on microstructure and electrical properties of high-voltage SnO2 varistors

نویسندگان [English]

  • Mohammad Maleki Shahraki 1
  • mehdi Delshad Chermahini 2
  • Mehdi Abdollahi 2
1 Department of Materials Engineering, Faculty of Engineering, University of Maragheh
2 Department of materials science & engineering, University of Shahrekord, Shahrekord, Iran
چکیده [English]

In this research, the effects of various molar amounts of Tl2O3 addition (x= 0, 0.1, 0.25, 0.5, and 1.0) on microstructure and electrical properties of high-voltage SnO2 varistors were investigated. According to XRD and FE-SEM results, the presence of Tl2O3 was detected as secondary phase in samples which their x values are higher than 0.25. By Tl2O3 addition from 0 to 1%, the grain size decreased from 4 µm to 2.3 µm which it is resulted from a grain growth suppression induced by secondary phase based on Zener mechanism. The best non-Ohmic properties with the nonlinear coefficient of 15.1 and the leakage current density of 95 µA/cm2 were observed in samples doped with 0.5% Tl2O3. Furthermore, the breakdown electric field of this sample was 532 V/mm. Further addition of Tl2O3 had no considerable effect on nonlinearity of samples, but it increased the breakdown electric field of samples through the reduction in grain size.

کلیدواژه‌ها [English]

  • "Varistor"
  • "SnO2"
  • "Tl2O3"
  • "Electrical properties"
.      Meng. P, Zhao. X, Yang. X Wu. J, Xie. Q, He. Jimou, Hu.   J, He. J, Breakdown phenomenon of ZnO varistors caused by non-uniform distribution of internal pores, Journal of Eurpean Ceramic Society, 2019, 39, 4824-4830.
2.     Pillai. S. C, Kelly. J. M, Ramesh. R, McCormack. D. E, Advances in the synthesis of ZnO nanomaterials for varistor devices, Journal of Materials Chemistry, 2013, 1, 3268–3283.
3.   He. J, Metal Oxide Varistors: from Microstructure to Macro-Characteristics, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Boschstr, 2019,31-65.
4.   Bueno. P. R, SnO2, ZnO and related polycrystalline compound semiconductors: an overview and review on the voltage-dependent resistance (non-ohmic) feature, Journal of Eurpean Ceramic Society, 2008, 28, 505-529.
5.    Masteghin. M. G, Orlandi, M.O, Bueno. P. R, Tin oxide materials, Varistor technology based on SnO2, Elsevier publication, 2020, 321-343.
6.  Metz. R, Pansiot. J, Hassanzadeh. M, Nanosecond reversible solid state switches capable of handling MJ of energy, Journal of Eurpean Ceramic Society, 2012, 32, 2443-2450.
7.    M. A. Ramírez, R. Tararam, A.Z. Simões, A. Ries, E. Longo, J. A. Varela, Degradation Analysis of the SnO2 and ZnO Based Varistors Using Electrostatic Force Microscopy, Journal of American Ceramic Society, 2013, 96, 1801–1809.
8.    Pianaro. S.A.  Bueno, P.R,  Longo. E, Varela. J, A new SnO2 based varistor, Journal of Materials Letters,1995, 14, 692-694.
9.    Tominca.  S, Rečnik.  A,   Samardžija.  Z,   Dražić. G, Podlogar. M, Bernik. Daneu. S. N, Twinning and charge compensation in Nb2O5–doped SnO2–CoO ceramics exhibiting promising varistor characteristics, Jounal of Ceramics International, 2018, 44, 1603-1613.
10.  Antunes. A.C, Antunes. S.R, Zara. M.A.J, Pianaro. S.A, Longo. E, Varela. J.A, Effect of Fe2O3 doping on the electrical propertiesof a SnO2 based varistor, Journal of Materials  Science, 2002, 37, 2407-2411.
11.    J.Zhang, L.Bian, W.Ren, L.Wang, J. Xu, Improvement in the non-linear electrical characteristics of the SnO2·Co2O3·Ta2O5 varistor material with Pr6O11 additive, Journal of Ceramics International, 2015, 44 9399-9402.
12.    Hu. G, Zhu. J, Yang. H, Wang. F, Effect of Cr2O3 addition on the microstructure and electrical properties of SnO2-based varistor, Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 2013, 24, 1735–1740.
13.   Wang. W.X, Wang. J.F, Chen. H.C, Su. W.B, Jiang. B, Zang, G.Z, Wang. C.M, Qi. P, Effects of In2O3 on the properties of (Co, Nb)-doped SnO2 varistors Journal of Applied Physics,2003, 36, 1040–1043.
14.    Torres Chiquito. M. P, PechCanul. M. I, Hernández. M. B , García-Quiñonez. L. V, Montoya-Dávila. M Aguilar- Martínez, J. A, Efect of high Al2O3 content on the microstructure and electrical properties of Co- and Ta- doped SnO2 varistors, Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 2019, 30, 17342–17349.
15.  Abdul-Ridha1. Z.S, Al-Jasim. A. A. N, Rada. A. O, Improvement of electrical features of SnO2 based varistor doped with Al2O3, AIP Conference Proceedings, 2019, 2123, 020097.
16.   Olvera-Sanchez. M, Hernandez. M.B,  Garcıa-Villarreal .S, Rodrıguez. E, Gomez Rodrıguez. C, Garcia-Quinonez. L.V, Aguilar-Martınez. J.A, Inhibition grain growth and electrical properties by adding In2O3 to SnO2-Co3O4-Ta2O5 ceramics, Revista Mexicana de Fısica, 2019, 65, 25–30.
17.    Zang. G.Z, Wang. J.F, Chen. H.C, Su. W.B, Wang. W.X, Wang. C.M, Qi. P, Effect of In2O3 doping and sintering on the electrical properties and the microstructure of (Co,Ta)-doped SnO2 varistors, Journal of Non-Crystalline Solids,  2005, 351, 941–945.
18.  Zener. C, Smith. C, Grains, phases, and interfaces: an interpretation of microstructure, Transactions of the Metallurgical Society of AIME, 1948, 175,  15-51.
19.   Safaee. I, Bahrevar. M.A, Maleki Shahraki. M, Baghshahi S, Ahmadi. K, characteristics and grain growth kinetics of Pr6O11 Doped SnO2-based varistors, Journal of Solid State Ionics, 2011, 189, 13–18.