C3N4掺杂对ZnO基压敏陶瓷的微观结构和电性能的影响

ZnO基压敏陶瓷具有优良的非线性 I-V特性及耐脉冲电流能力，作为过压保护和浪涌吸收的元件被广泛地应用在电子线路、电力系统中^{[1, 2]}。ZnO基压敏陶瓷的非线性特性来源于在晶界处存在的双肖特基势垒^[3]。ZnO基压敏电阻的电学性能受金属氧化物添加剂的影响，如 Bi₂O₃，Pr₆O₁₁，V₂O₅等用于构成双肖特基势垒； Sb₂O₃，TiO₂等用于改变晶粒尺寸大小；以及 MnO₂，Co₂O₃等用于改变势垒高度。

研究表明^[4]，在晶界处以碱金属离子作受主掺杂可以有效改变晶界耗尽层区域的载流子浓度，进而提升 ZnO基压敏陶瓷的压敏特性。为了在晶界区域实现受主掺杂，除了使用碱金属离子替位锌离子以外，还可以考虑使用非金属离子来替位氧离子。氮作为第五主族元素，其离子半径与氧离子相近，因此氮离子可以轻易进入氧离子的晶格位置以提供额外的空穴。实际上，选择 N掺杂制备 p型 ZnO的研究有很多，然而 N掺杂在 ZnO中形成的是深受主能级，所以仅使用 N掺杂仍然很难得到稳定的 p型 ZnO。而根据文献报告^[5]，N掺杂可以使 Bi₂O₃实现稳定的 p型导电。由于 Bi₂O₃是形成双肖特基势垒的关键添加物，因此 N掺杂会对 ZnO-Bi₂O₃基压敏陶瓷的晶界势垒特性产生影响。

由于 C₃N₄具有高含氮量以及合适的分解温度，可以用作氮源添加剂。当温度超过 750℃时，C₃N₄会完全分解。C₃N₄分解过程中可以提供活性较高的氮离子以进入氧离子的的晶格位置，而引入的碳则会在烧结过程中被排放掉。本文使用C₃N₄作为氮源添加至 ZnO-Bi₂O₃基压敏陶瓷中，并研究了C₃N₄掺杂量对 ZnO-Bi₂O₃基压敏陶瓷的相成分、显微结构、介电性能和大电流与小电流区域电性能的的影响。