In-situ measurements of the Liquid-Phase Sintering of Zinc Oxide

Titelangaben

Arefin, Mohammad Lutful:
In-situ measurements of the Liquid-Phase Sintering of Zinc Oxide.
Bayreuth , 2009
( Dissertation, 2009 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Polycrystalline ceramic semiconductor devices based on ZnO and several additive oxides show highly non-ohmic current-voltage behavior similar to the Zener diodes. The devices act as an insulator up to a certain electrical field called the breakdown field (EBR) but change into a highly conducting one just above it. Below and above the breakdown field they behave perfectly ohmic. This overall non- linear current-voltage characteristic together with the ability to withstand repeated high power pulses has made metal oxide varistors popular as "surge-arrestors" in electrical circuitry. ZnO doped with Bi2O3 and Sb2O3 (ZBS), is the basic system for ceramic varistors. Phase formation during sintering of ZBS was measured in situ, using 1 mm thick samples and synchrotron X-rays. Thermodynamic calculations were performed to explain phase formation, composition, stability of additive oxides and influence of the oxygen fugacity on sintering. Sb2O4, pyrochlore, trirutile and spinel were formed at temperatures of 500°C to 800°C. The oxidation of antimony was controlled by the oxygen partial pressure and affected both, phase formation and sintering kinetics, in the ZBS system. There are three well defined phases in the final microstructure e.g. the ZnO-grains, Pyrochlore and Spinel phases. The evolution of these phases with temperature and time are important facts to the understanding of the basic functionality of the ZnO varistor system. Liquid phase sintering kinetics in the system ZnO-Bi2O3-Sb2O3 was studied using closed crucibles and an optical dilatometer. The kinetic field technique was modified to compare densification rates with liquid phase sintering models. Grain growths data were derived directly from the kinetic field diagram and compared to microstructure analysis of quenched samples. A reasonable agreement was obtained between both techniques - demonstrating that the modified kinetic field technique is an efficient tool for process optimization.

Abstract in weiterer Sprache

Polykristalline Keramiken, die aus halbleitendem ZnO und verschiedenen Additiven bestehen, zeigen – ähnlich wie Zener-Dioden - eine stark nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie. Die daraus hergestellten Bauteile wirken bis zu einer bestimmten Durchbruchfeldstärke (EBR) als elektrischer Widerstand und zeigen eine hohe Stromleitfähigkeit unmittelbar darüber. Außerhalb der Durchbruchfeldstärke ist die Kennlinie linear. Diese spezielle Kennlinie und die Stabilität gegenüber wiederholten Belastungen oberhalb EBR haben dazu geführt, dass Metalloxidvaristoren heute vielfach zur Spannungsbegrenzung in elektrischen Schaltkreisen verwendet werden. ZnO, das mit Bi2O3 und Sb2O3 (ZBS) dotiert ist, ist das Basismaterial für keramische Varistoren. Die Phasenumwandlungen während der Sinterung von ZBS wurden mit Synchrotronstrahlung an 1 mm dicken Proben untersucht. Mithilfe thermodynamischer Berechnungen wurden Phasenumwandlungen, die Stabilität der Additivoxide und der Einfluss der Sauerstofffugazität auf die Sinterung erklärt. Sb2O4, Pyrochlor, Trirutil und Spinell bildeten sich im Temperaturbereich von 500°C bis 800°C. Die Oxidation von Antimon wurde durch den Sauerstoffpartialdruck kontrolliert. Sie bestimmte sowohl die Phasenbildung als auch die Sinterkinetik im ZBS-System. Die Mikrostruktur der gesinterten ZBS-Keramiken wurde durch drei Phasen bestimmt: ZnO, Pyrochlor und Spinell. Die Kenntnis der Entwicklung dieser Phasen in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit trägt wesentlich zum Verständnis der Grundfunktion des ZnO-Varistor-Systems bei. Die Kinetik der Flüssigphasensinterung im System ZnO-Bi2O3-Sb2O3 wurde mit einem optischen Dilatometer unter Verwendung geschlossener Tiegel untersucht. Die Kinetik Field-Methode wurde modifiziert, um Sinterraten mit Modellen zum Flüssigphasensintern vergleichen zu können. Informationen zum Kornwachstum wurden direkt dem Kinetic Field-Diagramm entnommen und mit Mikrostrukturanalysen an abgeschreckten Proben verglichen. Zwischen beiden Methoden wurde eine akzeptable Übereinstimmung erreicht, was zeigt, dass die modifizierte Kinetic Field-Technik als ein effizientes Werkzeug zur Prozessoptimierung eingesetzt werden kann.