Preparación y caracterización de varistores de ZnO / Miriam Susana Castro

Director: Dr. Celso Aldao

Tesis presentada como requerimiento parcial para obtener el grado académico de Doctor en Ciencia de Materiales

Tesis (Dcotorado)--Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Dto Materiales, 1993.

de la tensión de ruptura a aproximadamente 200§ C. Con este proceso se determinó una modificación en la distribución de donores, sin alterarse la altura de la barrera. La degradación reversible se logró al aplicar tensiones bajas a temperaturas de aproximadamente 100§ C. esta degradación no puede ser explicada únicamente por la difusión de iones cinc intersticiales, sino que es necesario considerar la difusión de vacancias de cinc.

En esta tesis se estudió el comportamiento eléctrico de los varistores de ZnO en la zona de pre-ruptura. Asimismo se analizó el efecto que sobre estos dispositivos ejercen los distintos óxidos aditivos, el tratamiento de sinterizado, la velocidad de enfriamiento desde la temperatura de sinterizado y los procesos de degradación. Las técnicas empleadas fueron: difracción de rayos X, espectroscopía de resonancia paramagnética de electrones, espectroscopía UV-Visible con reflectancia difusa, microscopía electrónica de barrido, microscopía de luz reflejada, microanálisis de rayos X, análisis de termogravimetría y medidas eléctricas. Se ha estudiado el mecanismo de conducción en la zona de pre-ruptura de los varistores de ZnO. Se ha observado que un proceso de conducción por efecto túnel reproduce las curvas experimentales tensión-corriente y corriente-temperatura. El ajuste simultáneo de ambas curvas se logra al considerar una distribución de dopantes no constante en el borde de grano. Se ha determinado que los diferentes aditivos agragados al varistor modifican las características de los bordes de grano. En particular el óxido de bismuto aumenta la movilidad del ión oxígeno desde la superficie a la zona intergranular y ayuda a la formación de las barreras. Este aditivo facilita la estabilización de Vo+ a altas velocidades de enfriamiento, en tanto que a bajas velocidades de enfriamiento, se estabiliza la especie O2-. Los óxidos de cobalto, manganeso y níquel favorecen la estabilización de superficies de oxígeno no-paramagnéticas. Estos aditivos se encuentran como Co+2, Mn+2 y Ni+2, y modifican la concentración de donores y la altura de la barrera. También se determinó que el óxido de cobalto no impide la evaporación del óxido de bismuto durante el proceso de sinterizado del varistor. Se estudió el efecto del Sb2O3 sobre los varistores de ZnO y se determinó que este aditivo forma una fase piroclórica junto con el óxido de cinc y el óxido de bismuto. Esta fase restringe el crecimiento de los granos de ZnO, y la evaporación del óxido de bismuto. La fase piroclórica se descompone a temperaturas que varían entre 950§ C y 1050§ C para dar una fase espinela. Una vez formada esta última fase, se produce un aumento en la velocidad de crecimiento de los granos de ZnO y en la pérdida de peso por la evaporación del óxido de bismuto. Se analizó el efecto de la velocidad de enfriamiento sobre los varistores compuestos por óxido de cinc y óxido de bismuto, determinandose que a altas velocidades de enfriamiento se estabiliza la especie Vo+. Esta especie no posee un rol dominante en la conducción del varistor, o el perfil de defectos en el borde de grano controla las propiedades eléctricas de los varistores de ZnO, o ambas alternativas son válidas. Se estudiaron los diferentes procesos de degradación reversible e irreversible. Se determinó que la degradación irreversible puede ser realizada por un tratamiento de pos-sinterizado que produce un notable incremento en el tamaño de los granos de ZnO, y modifica las características de las barreras. La degradación irreversible también se puede lograr al aplicar una tensión del 70