TY - THES

T1 - Piezotronischer Effekt in Zinkoxid-Varistoren

AU - Billovits, Thomas

N1 - gesperrt bis null

PY - 2020

Y1 - 2020

N2 - Varistoren sind elektrische Bauelemente deren Widerstand von der angelegten Spannung abhängt. Die Leitfähigkeit steigt bei Überschreiten einer gewissen elektrischen Schaltspannung innerhalb von Nanosekunden um mehrere Größenordnungen. Ermöglicht wird dieses Verhalten durch ein dotiertes, polykristallines Zinkoxid, welches den Grundwerkstoff für Varistoren bildet. Ein speziell eingestelltes Gefüge bildet an den Korngrenzen des Zinkoxids negativ geladene elektrische Barrieren, die als Doppel Schottky Barrieren bezeichnet werden. Übersteigt die angelegte elektrische Spannung die Schaltspannung, können Elektronen diese Barrieren überwinden. Auf der anderen Seite der Barriere beschleunigen die Elektronen und erzeugen durch Stoßionisation Elektronen Loch Paare. Durch Rekombination dieser Löcher mit der negativen Korngrenz Ladung setzt ein lawinenartiger Effekt ein und es kommt zu einem stark nicht linearen Strom Spannungsverhalten. Zudem weist Zinkoxid eine Piezoelektrizität auf. Dadurch lassen sich durch mechanische Spannung zusätzliche elektrische Ladungen an den Korngrenzen erzeugen, die das Schaltverhalten des Varistors verändern. Man spricht hier vom sogenannten piezotronischen Effekt, der Beeinflussung von elektronischen Eigenschaften durch mechanischen Druck. Ziel dieser Arbeit ist es, die Änderung des elektrischen Verhaltens unter Einwirkung mechanischer Spannung zu bestimmen. Die Experimente werden an zwei Varianten von Zinkoxid Varistorkeramiken, eine mit Praseodym und eine mit Bismuth dotiert, durchgeführt. Zunächst wird das makroskopische Verhalten des gesamten Varistors unter uniaxialem Druck untersucht. Dazu wird die Probe in zwei unterschiedlichen Konfigurationen eingespannt, um die richtungsabhängige Auswirkung der mechanischen Spannung auf die Strom-Spannungs-Charakteristik zu erfassen. Um den piezotronsichen Effekt auf mikroskopische Ebene zu untersuchen, werden die Strom Spannungs Kennlinien einzelner Korngrenzen unter biaxialem Druck aufgenommen. Dazu wird ein Dünnschliff des Gefüges hergestellt und auf einem Piezoaktor aufgeklebt, der als dehnungsgesteuerter Träger fungiert. Jeweils zwei benachbarte Körner werden mittels Mikromanipulatoren kontaktiert und die I-U Kennlinie bei unterschiedlich stark aktivierten Piezoaktor aufgenommen. Die untersuchten Körner werden mit EBSD analysiert, um die Verschiebung der I-U Kennlinien mit den Orientierungen der Körner zueinander korrelieren zu können.

AB - Varistoren sind elektrische Bauelemente deren Widerstand von der angelegten Spannung abhängt. Die Leitfähigkeit steigt bei Überschreiten einer gewissen elektrischen Schaltspannung innerhalb von Nanosekunden um mehrere Größenordnungen. Ermöglicht wird dieses Verhalten durch ein dotiertes, polykristallines Zinkoxid, welches den Grundwerkstoff für Varistoren bildet. Ein speziell eingestelltes Gefüge bildet an den Korngrenzen des Zinkoxids negativ geladene elektrische Barrieren, die als Doppel Schottky Barrieren bezeichnet werden. Übersteigt die angelegte elektrische Spannung die Schaltspannung, können Elektronen diese Barrieren überwinden. Auf der anderen Seite der Barriere beschleunigen die Elektronen und erzeugen durch Stoßionisation Elektronen Loch Paare. Durch Rekombination dieser Löcher mit der negativen Korngrenz Ladung setzt ein lawinenartiger Effekt ein und es kommt zu einem stark nicht linearen Strom Spannungsverhalten. Zudem weist Zinkoxid eine Piezoelektrizität auf. Dadurch lassen sich durch mechanische Spannung zusätzliche elektrische Ladungen an den Korngrenzen erzeugen, die das Schaltverhalten des Varistors verändern. Man spricht hier vom sogenannten piezotronischen Effekt, der Beeinflussung von elektronischen Eigenschaften durch mechanischen Druck. Ziel dieser Arbeit ist es, die Änderung des elektrischen Verhaltens unter Einwirkung mechanischer Spannung zu bestimmen. Die Experimente werden an zwei Varianten von Zinkoxid Varistorkeramiken, eine mit Praseodym und eine mit Bismuth dotiert, durchgeführt. Zunächst wird das makroskopische Verhalten des gesamten Varistors unter uniaxialem Druck untersucht. Dazu wird die Probe in zwei unterschiedlichen Konfigurationen eingespannt, um die richtungsabhängige Auswirkung der mechanischen Spannung auf die Strom-Spannungs-Charakteristik zu erfassen. Um den piezotronsichen Effekt auf mikroskopische Ebene zu untersuchen, werden die Strom Spannungs Kennlinien einzelner Korngrenzen unter biaxialem Druck aufgenommen. Dazu wird ein Dünnschliff des Gefüges hergestellt und auf einem Piezoaktor aufgeklebt, der als dehnungsgesteuerter Träger fungiert. Jeweils zwei benachbarte Körner werden mittels Mikromanipulatoren kontaktiert und die I-U Kennlinie bei unterschiedlich stark aktivierten Piezoaktor aufgenommen. Die untersuchten Körner werden mit EBSD analysiert, um die Verschiebung der I-U Kennlinien mit den Orientierungen der Körner zueinander korrelieren zu können.

KW - varistor

KW - zinc oxide

KW - I-V charakteristics

KW - piezotronic

KW - Varistor

KW - Zinkoxid

KW - I-U-Charakteristik

KW - Piezotronik

KW - Doppel Schottky Barriere

KW - Piezoelektrizität

M3 - Masterarbeit

ER -