一种无Bi、Pr、V的氧化锌基压敏薄膜材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种无Bi、Pr、V的氧化锌基压敏薄膜材料及其制备方法。所述氧化锌基压敏薄膜材料以氧化锌和改性添加剂组成的陶瓷为靶材，采用磁控溅射技术在导电基底上沉积ZnO基压敏薄膜材料；所述靶材中氧化锌的含量为89.5～99.88 mol%，改性添加剂的含量为0.12～10.5 mol%；所述改性添加剂包括：CaCO

【技术实现步骤摘要】
一种无Bi、Pr、V的氧化锌基压敏薄膜材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种新型氧化锌(ZnO)基压敏薄膜材料及其制备方法，属于电子信息材料制备及其应用


技术介绍

[0002]压敏电阻(Varistor)在一定温度下和特定电压范围内，通过它的电流随着施加的电压增加而急剧增大，被广泛应用于抑制输电线路浪涌的阀元件和各种电子元器件的过压保护元件等。相比于传统的避雷器，ZnO压敏电阻器具有非线性系数大、响应时间快、通流能力强等特点，是制造压敏电阻器的主导材料，被广泛应用于通信、电力、交通、工业控制、汽车电子、医用设备和家用电器中。
[0003]随着电子技术的迅速发展，电子器件不断向小型化、低压化发展。为了实现ZnO基陶瓷压敏电阻器的低压化和小型化，必须控制ZnO晶粒尺寸和减小压敏电阻厚度。但是，传统陶瓷材料难以制备小型化低压ZnO基压敏电阻器；流延法制备的ZnO基压敏电阻器工艺过程复杂，产品一致性差，发展受到限制。因此，各种ZnO薄膜压敏电阻器应运而生。研究表明，薄膜化是开发低压压敏电阻器的有效手段，且薄膜化有利于元件的小型化和集成化。
[0004]在众多薄膜沉积方法中，磁控溅射法、脉冲激光沉积、分子束外延、化学气相沉积法、喷雾热分解法以及溶胶凝胶法等均为常见方法。磁控溅射法是一种成熟的薄膜制备技术，应用广泛。与其它方法相比，磁控溅射法沉积薄膜材料时薄膜与基底之间有很好的附着性，能在较大面积上获得均匀的薄膜，致密度高，生长温度低，沉积速度快，可以在不同的生长气氛中大面积制备薄膜材料，被认为非常适合于大规模工业化生产而受到青睐。但是，目前报道的在室温下制备的薄膜压敏电阻的非线性系数通常较低，需要进行退火处理。然而退火处理会导致ZnO压敏薄膜无法与其他半导体工艺相融合，从而破坏其他半导体材料的性能。因此，目前迫切需要制备出一种可在常温条件下制备、无需退火处理的高性能ZnO压敏薄膜材料。

技术实现思路

[0005]针对现有技术所存在的上述不足和问题，本专利技术的目的是提供一种高性能新型ZnO基压敏薄膜材料及其制备方法。所述新型ZnO基压敏薄膜材料由锌元素、钙元素、钴元素、铬元素组成，材料的配方中不含传统的形成非线性的元素，如Bi、Pr、V、Ba等。该配方替代传统的Bi、Pr、V、Ba元素，可促使ZnO压敏薄膜界面处形成界面态，如受主缺陷等，从而形成界面势垒。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]第一方面，本专利技术提供一种无Bi、Pr、V、Ba的氧化锌基压敏薄膜材料。所述氧化锌基压敏薄膜材料以氧化锌和改性添加剂组成的陶瓷为靶材，采用磁控溅射技术在导电基底上沉积ZnO基压敏薄膜材料；所述靶材中氧化锌的含量为89.5～99.88mol％，改性添加剂的含量为0.12～10.5mol％；所述改性添加剂包括：CaCO
3 0.1～3mol％、Co3O
4 0.01～2mol％、
Cr2O
3 0.01～5mol％。
[0008]当前的氧化锌基压敏薄膜通常含有传统的Bi、Pr、V、Ba元素。Bi元素易挥发，容易引起成分不稳定，从而产生性能不稳定；Pr属于稀土元素，来源稀缺，价格昂贵；V元素有毒；BaO易溶于水，不稳定。除了上述缺点以外，现有的氧化锌基压敏薄膜中通常含有四种以上的非线性元素，这导致材料的配方复杂，容易产生第二相，导致靶材结构不均匀，从而影响氧化锌基压敏薄膜的性能稳定性。本专利技术利用Ca、Co、Cr等元素作为增强压敏性能的添加元素进一步增加界面势垒，提高压敏性能。
[0009]较佳地，所述改性添加剂还包括0.5mol％以下的Sb2O3。如果Sb2O3的含量高于0.5mol％，会导致压敏性能下降。作为优选，所述Sb2O3的含量为0.01～0.2mol％。
[0010]较佳地，所述氧化锌基压敏薄膜材料的压敏电压为5～25V，非线性系数α为4～25。
[0011]较佳地，所述氧化锌基压敏薄膜的厚度为30～900nm。
[0012]较佳地，所述导电基底为导电硅基片、铜片、铂片中的一种。
[0013]第二方面，本专利技术提供上述任一项所述的氧化锌基压敏薄膜材料的制备方法。所述方法在常温条件下制备，无需退火处理。所述制备方法包括以下步骤：(1)以氧化锌和改性添加剂组成的陶瓷为靶材，将靶材固定在磁控溅射设备的靶位上；开启机械泵抽至低真空，系统真空度达到0.1Pa时开启分子泵，直至系统的真空度达到2
×
10
‑4Pa以上；(2)通入预溅射气体Ar，进行预溅射以除去靶材表面的污染物；待辉光稳定后，打开靶挡板，在环境温度下开始溅射沉积以在导电基底上沉积ZnO基压敏薄膜材料。
[0014]较佳地，步骤(2)中，溅射沉积的溅射气体为Ar或者Ar和N2的混合气体或者Ar和O2的混合气体，溅射功率为60～220W，溅射气压为0.1～10Pa。
[0015]较佳地，步骤(2)中，沉积温度为室温～500℃，沉积时间为5～60min。
[0016]较佳地，根据靶材组成将原料混合均匀，然后干燥、合成、造粒、压制成型、排胶和烧结，即可制得所述靶材；优选地，所述合成是在400～600℃煅烧1～4小时；更优选地，所述烧结包括：将压制成型的陶瓷生坯从室温以2～5℃/min升温至1100～1300℃并保温1～4小时后随炉冷却。
[0017]有益效果：
[0018]与现有技术相比，本专利技术的新型氧化锌基压敏薄膜材料不含传统的形成非线性的添加剂，如Bi2O3、Pr6O
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、V2O5等，薄膜厚度可控，结构致密，压敏电压为5～25V，非线性系数α为4～25，性能良好；另外，本专利技术的制备方法工艺可重复性好，可以在大面积基片上获得组成、结构和厚度均匀的薄膜材料，适合规模化生产，工艺简单，具有实用性和应用前景。
附图说明
[0019]图1是实施例1的氧化锌压敏薄膜的电流密度随电场的变化图；图2是实施例1的氧化锌压敏薄膜的SEM图。
具体实施方式
[0020]通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。在没有特殊说明的情况下，各百分含量指质量百分含量。
[0021]本专利技术采用磁控溅射技术，以氧化锌和其它改性掺杂物质组成(CaCO3、Co3O4、Cr2O3、Sb2O3)的陶瓷为靶材，材料的配方中不含传统的形成非线性的元素，如Bi、Pr、V、Ba等，在优化的溅射工艺下，在导电基底上沉积ZnO基压敏薄膜材料。该新型ZnO基压敏薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：
[0022]制备作为靶材的自制ZnO基陶瓷。自制ZnO基陶瓷靶材由氧化锌和改性添加剂组成，其中氧化锌的含量为89.5～99.88mol％，改性添加剂的含量为0.12～10.5mol％。改性剂的含量超出上述范围，会由于陶瓷结构变化导致压敏性能下降。所述改性添加剂的各组成及其含量如下：CaCO3为0.1～3mol％、Co3O4为0.01～2m本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧化锌基压敏薄膜材料，其特征在于，所述氧化锌基压敏薄膜材料以氧化锌和改性添加剂组成的陶瓷为靶材，采用磁控溅射技术在导电基底上沉积ZnO基压敏薄膜材料；所述靶材中氧化锌的含量为89.5～99.88 mol%，改性添加剂的含量为0.12～10.5 mol%；所述改性添加剂包括：CaCO
3 0.1～3 mol%、Co3O
4 0.01～2 mol%、Cr2O
3 0.01～5 mol%。2.根据权利要求1所述的氧化锌基压敏薄膜材料，其特征在于，所述改性添加剂还包括0.5 mol%以下的Sb2O3。3. 根据权利要求1或2所述的氧化锌基压敏薄膜材料，其特征在于，所述氧化锌基压敏薄膜材料的压敏电压为5～25 V，非线性系数α为4～25。4.根据权利要求1至3中任一项所述的氧化锌基压敏薄膜材料，其特征在于，所述氧化锌基压敏薄膜的厚度为30～900 nm。5.根据权利要求1至4中任一项所述的氧化锌基压敏薄膜材料，其特征在于，所述导电基底为导电硅基片、铜片、铂片中的一种。6.根据权利要求1至5中任一项所述的氧化锌基压敏薄膜材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1) 以氧化锌...

【专利技术属性】
技术研发人员：田甜，李国荣，郑嘹赢，阮学政，时雪，满振勇，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：