基于多组分A位共掺杂镍基钙钛矿氧化物材料及使用方法技术

本发明专利技术提供一种基于多组分A位共掺杂镍基钙钛矿氧化物的温度探测方法。利用多组分A位组合式取代掺杂的技术方法在宽温度范围内大幅度提高镍基钙钛矿氧化物电阻温度系数(TCR)，结合实际探测需要通过对A位元素种类与比例的控制调节所制备材料的使用温度区间以及电阻温度系数。与传统的热敏电阻材料以及传统镍基钙钛矿氧化物材料相比，本发明专利技术中优化制备的多稀土元素组合式取代掺杂稀土镍基钙钛矿氧化物材料在2K‑1000K的宽温区范围内具有更加陡峭的电阻温度变化单调曲线以及明显提高的电阻温度系数。基于本发明专利技术所进一步制备的器件可实现对中低温宽温区内的温度精准探测与传感。本发明专利技术在热敏电阻材料、温度探测等方面具有可观的应用价值与宽广的应用前景。

Multi-component A-site Co-doped Nickel-based Perovskite Oxide Material and Its Application

The invention provides a temperature detection method based on multi-component A-site co-doped nickel-based perovskite oxides. The temperature coefficient of resistance (TCR) of nickel-based perovskite oxides is greatly increased in a wide temperature range by using the multi-component A-site combination substitution doping technique. The temperature range and the resistance temperature coefficient of the prepared materials are adjusted by controlling the types and proportions of A-site elements. Compared with the traditional thermistor material and the traditional nickel-based perovskite oxide material, the multi-rare earth element composite substituted rare earth doped nickel-based perovskite oxide material optimized in the present invention has a steeper monotonic curve of resistance temperature change and a significantly higher resistance temperature coefficient in a wide temperature range of 2K 1000K. The device further prepared based on the present invention can realize accurate detection and sensing of temperature in medium and low temperature and wide temperature range. The invention has considerable application value and broad application prospects in thermistor materials, temperature detection, etc.

【技术实现步骤摘要】
基于多组分A位共掺杂镍基钙钛矿氧化物材料及使用方法
本专利技术属于热敏电阻、温度探测、温度传感微领域，具体地涉及一种利用多组分A位共掺杂法在宽温区范围内大幅度提高镍基钙钛矿氧化物电阻温度系数(TCR)以及调节测量温度范围的方法，并提供一种基于多组分A位共掺杂镍基钙钛矿氧化物在宽温区范围实现温度测量的技术方法。
技术介绍
发展高性能宽温区热敏电阻材料对于实现宽温区范围内温度的精准探测具有重要意义【1-12】。热敏电阻是指其电阻随温度发生明显变化的材料,一般按温度系数可分为电阻随温度的升高而增大的正温度系数热敏陶瓷,电阻随温度的升高而减小的负温度系数困热敏陶瓷和电阻在特定的温度范围内急剧减小的临界温度系数热敏电阻材料【1-5】。热敏电阻材料需具有较大电阻率，高电阻温度系数，接近于实验材料线膨胀系数，小的应变灵敏系数，且在工作温度区间加热和冷却时，电阻温度曲线应有良好的重复性【1,2】。热敏材料一般可分为半导体类、金属类和合金类三类【1-5】。其中，半导体热敏电阻主要包括单晶半导体、多晶半导体、玻璃半导体、有机半导体以及金属氧化物等。半导体热敏电阻材料的特点在于具有高电阻温度系数和高电阻率，因而具有高传灵敏度。但由于半导体热敏电阻材料的电阻和流度呈指数关系，因此测温范围狭窄、均匀性较差。相比而言，金属热敏电阻材料(如铂、铜等)在各种介质中具有高精度，但其价格相对昂贵。合金热敏电阻材料具有较高的电阻率，并且电阻值随温度的变化较为敏感，是一种制造温敏传感器的良好材料。热敏电阻的发展主要可以追述与上世纪30年代，德国采用氧化铀制成了首个热敏电阻【1-3】。此后，相继出现了以氧化铜、硫化银、钦酸镁等为热敏材料的半导体热敏电阻，被广泛地用于稳压、温度补偿、温度传感等方面。然而，其问题在于这类材料通常具有稳定性差的问题,因此工作时须在保护性气氛中工作以便防止氧化。上世纪40年代，一种使用过渡金属氧化物在高温固相反应生成具有尖晶石结构的氧化物陶瓷热敏电阻被开发出来，其具有较大的电阻温度系数(-1％--6％K-1)，且化学性质相对稳定,可以在-60到300℃的空气环境中使用，因此被广泛用于测温、控温、补偿、稳压以及时间延迟等方面。上世纪50年代，为满足空间技术的应用需求，4-20K，20-80K，77-300K的三档低温热敏电阻器得到了发展。这些热敏电阻主要由过渡金属氧化物煅烧获得。而上世纪60年代后期的热敏电阻材料主要基于掺杂二氧化钒(VO2)【4，12】。例如，日本日立公司制备的Mg、Ca、Ba、Pb、P、B、Si等掺杂元素制备的掺杂VO2热敏电阻材料，而这些材料具有较大的电阻温度系数，且其制备工艺可以与硅工艺兼容。上世纪70年代以后，以SiC为代表的薄膜热敏电阻得到了极大的发展，其主要适用温度范围为-40至450℃【1-5】。而未来热敏电阻，正向着高集成型数字化、宽温区化、高精度化、小型化、复合化的方向发展【5】。然而不可否认的是，目前尚无一种热敏电阻材料可以在2-300K的中低温宽温区范围内的电阻温度系数大于2％K-1，从而满足中低温度范围内高灵敏度的温度测量与传感等探测需求。此外,如何发展调节并进一步拓宽热敏电阻材料可适应的温度探测范围的技术方法同样存在着巨大的挑战。参考文献：【1】徐廷献电子陶瓷材料,天津天津大学出版社【2】A.J.Moulson等著,李世普等译电子陶瓷材料、性能、应用,武汉大学出版社，1993【3】周东祥半导体陶瓷及应用,武汉华中理工大学出版社【4】(日)小西良宏,日迁俊郎,《电子陶瓷基础和应用》,机械工业出版社，1983【5】王恩信,荆玉兰等,热敏电阻器的现状与发展趋势,电阻元件与材料,16(1997)1【6】Lavenuta,G.,etal,Negativetemperaturecoefficientthermistors.Sensors(Peterborough,Nh),1997,14,46–55.【7】Edwards,L.andMurthy,R.,Versatilethermistorsforwide-rangingapplications.Electrotechnology,1987,15,89–91.【8】Hata,T.,Kuroda,T.andMatsuo,Y.,Newthermistormaterials.NationalTechnicalReport(MatsushitaElectricIndustryCompany),82,28,1123–1134【9】Sheftel,I.T.,Thermistors.Nauka,Moscow,1973.【10】Fritsch,S.,etal,Correlationbetweenthestructure,themicrostructureandtheelectricalpropertiesofnickelmanganitenegativetemperaturecoefficient(NTC)thermistors.SolidStateIonics,1998,109,229【11】ChiriacH.etal,Ontemperaturedependenceofconductivityandthermopowerofco-sputteredNix-(Si02)compositethinfilms,SensorsandActuatorsA62(1997)687-691【12】Wang,B.etal,NanostructuredvanadiumoxidethinfilmwithhighTCRatroomtemperatureformicrobolometer.InfraredPhysics&Technology57(2013)8–13
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种利用多组分A位组合式取代掺杂的技术方法在宽温度范围内大幅度提高镍基钙钛矿氧化物电阻温度系数(TCR)并调节热敏电阻测量温度范围的技术方法，并提供一种基于多组分A位共掺杂镍基钙钛矿氧化物在宽温区范围实现温度测量的技术方法。与传统的热敏电阻材料以及传统镍基钙钛矿氧化物材料相比，本专利技术中优化制备的多稀土元素组合式取代掺杂稀土镍基钙钛矿氧化物材料在2K-1000K的宽温区范围内具有更加陡峭的电阻温度变化单调曲线以及明显提高的电阻温度系数。进一步地将本专利制备的多组分A位元素共掺杂镍基钙钛矿氧化物材料用于宽温区范围内的温度探测，可实现对中低温宽温区内的温度精准探测与传感。本专利技术在热敏电阻材料、温度探测等方面具有可观的应用价值与宽广的应用前景。本专利技术的主要构思在于：利用多种组分的元素共同掺杂取代镍基钙钛矿化合物(ABO3结构，B位为镍)A位这一技术手段实现所制备镍基钙钛矿氧化物电阻温度系数在2K-1000K宽温度区间范围内的整体大幅度提高，同时通过调节不同稀土元素的组分与比例实现对于热敏电阻的工作温度范围的调节；以此基础，进一步基于所制备多组分A位元素共掺杂镍基钙钛矿氧化物材料的电阻温度变化关系实现在2K-1000K宽温度区间范围内的温度探测与传感。一种基于多组分A位共掺杂镍基钙钛矿氧化物材料，其特征在于，所述应用于温度探测与传感的关键材料为具有多组分价元素共同掺杂A位的镍基钙钛本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多组分A位共掺杂镍基钙钛矿氧化物材料，其特征在于，所述应用于温度探测与传感的关键材料为具有多组分价元素共同掺杂A位的镍基钙钛矿氧化物材料；所述材料具有ABO3的扭曲钙钛矿结构，其中B位为镍(Ni)；A为是两种及两种以上的元素；所述A位元素包括以下两种或两种以上元素的组合：元素周期表中的镧系元素、主族第三族元素及主族第五族元素，其中镧系元素为镧(La)、钐(Sm)、钕(Nd)、铕(Eu)、镨(Pr)；主族第三族元素为镓(Ga)、铟(In)；主族第五族元素维锑(Sb)、铋(Bi)；所述多组分A位共掺杂镍基钙钛矿氧化物具有在宽温区整体范围内具有陡峭电阻率温度变化关系和较高的电阻温度系数，通过控制A位元素的共掺杂种类及各种元素间的相对组分比例达到调节测量温度范围的目的。

【技术特征摘要】
1.一种基于多组分A位共掺杂镍基钙钛矿氧化物材料，其特征在于，所述应用于温度探测与传感的关键材料为具有多组分价元素共同掺杂A位的镍基钙钛矿氧化物材料；所述材料具有ABO3的扭曲钙钛矿结构，其中B位为镍(Ni)；A为是两种及两种以上的元素；所述A位元素包括以下两种或两种以上元素的组合：元素周期表中的镧系元素、主族第三族元素及主族第五族元素，其中镧系元素为镧(La)、钐(Sm)、钕(Nd)、铕(Eu)、镨(Pr)；主族第三族元素为镓(Ga)、铟(In)；主族第五族元素维锑(Sb)、铋(Bi)；所述多组分A位共掺杂镍基钙钛矿氧化物具有在宽温区整体范围内具有陡峭电阻率温度变化关系和较高的电阻温度系数，通过控制A位元素的共掺杂种类及各种元素间的相对组分比例达到调节测量温度范围的目的。2.一种使用如权利要求1所述多组分A位共掺杂镍基钙钛矿氧化物材料用于温度探测与传感的方法，其特征在于，所制备多组分A位共掺杂镍基钙钛矿氧化物的电阻温度系数在200K以上的宽广温度区间内具高于2，且材料电阻率随温度持续单调大幅度变化；通过调节不同稀土元素的组分与比例及形态能实现对于A位共掺杂镍基钙钛矿氧化物电阻温度变化系数实现较高值的温度范围加以调节，从而对所制备热敏电阻的工作温度范围进行控制与调节；所述多组分A位共掺杂镍基钙钛矿氧化物的形态包含：块体材料、薄膜、晶须材料、纳米线、纳米粉；其晶体结构包含单晶材料、多晶材料、非晶材料。3.如权利要求2所述使用多组分A位共掺杂镍基钙钛矿氧化物材料用于温度探测与传感的方法，其特征在于，采用钐、钕共掺杂A位镍基钙钛矿氧化物薄膜，利用材料电阻率随温度变化关系及其在70K-400K的宽广温度区间内具有高电阻温度系数(TCR)的特性；可见，将钐、钕共掺杂A位镍基钙钛矿氧化物制成温度测量器件；在器件中通过一个电流，并测量其在流经材料两端所产生的电压信号，从而获得电阻；而材料的电阻与温度呈现单调变化关系，因而可以通过测量电阻与标准值对照从而获得温度信息。4.如权利要求2所述使用多组分A位共掺杂镍基钙钛矿氧化物材料用于温度探测与传感的方法，其特征在于，制备衫、钕、铕三元共掺杂A位镍基钙钛矿氧化物薄膜，所制备材料在10K-450K的宽广温度范围内具有陡峭且单调的电阻率随温度变化关系与较高的电阻温度系数(TCR)；利用所制备衫、钕、铕三元共掺杂A位镍基钙钛矿氧化物制成温度测量器件；在器件中通过一个电流，并测量其在流经材料两端所产生的电压信号，从而获得电阻；而材料的电阻与温度呈现单调变化关系，因而可以通过测量电阻与标准值对照从而获得温度信息；通过所述材料与技术能实现在10K-450K的宽广温度区间内实现对温度的测量。5.如权利要求2所述使用多组分A位共掺杂镍基钙钛矿氧化物材料用于温度探测与传感的方法，其特征在于，制备衫、钕、铋三元共掺杂A位镍基钙钛矿氧化物薄膜，所制备材料在2K-500K的宽广温度范围内具有陡峭且单调的电阻率随温度变化关系与较高的电阻温度系数(TCR)；利用所制备衫、钕、铋三元共掺杂A位镍基钙钛矿氧化物制成温度测量器件，在器件中通过一个电流，并测量其在流经材料两端所产生的电压信号，从而获得电阻；而材料的电阻与温度呈现单调变...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈吉堃，胡海洋，张秀兰，姜勇，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11