新型高性能ZnO-Cr2O3系压敏变阻器

压敏变阻器的电阻值会随外加电压的变化而变化，即压敏变阻器在低电压下呈现高阻态，当施加电压超过特定阈值后，电阻值显著减小，其非线性的电流-电压（I−V）特征通常用幂律函数I=bV^α表示，其中b为常数，α为非线性系数，利用这种非线性的I−V特性，压敏变阻器常被用于抑制瞬态过电压，起到过电压保护的作用。^1-3良好的压敏性能需要高α值和低泄漏电流（I_L），α越高代表稳压效果越好，低I_L值表示压敏变阻器具有低损耗，预示着更好的使用寿命。⁴

为了满足不同的应用需求，除了α和I_L外，还需要压敏变阻器具有适当的压敏电压（E_b）。压敏变阻器的E_b是单位厚度所有晶界（GBs）击穿电压之和，其大小与晶粒大小直接相关。因此，调控晶粒大小是制备不同E_b压敏变阻器的重要方法。在高压直流输电和重型供电系统中，为了获得较小的器件尺寸就需要高E_b。然而，E_b的增加往往会使α和I_L同时劣化。^3,5目前研究较多的ZnO基压敏变阻器，通常以Bi₂O₃、V₂O₅和Pr₆O₁₁作为形成非线性伏安特性的添加剂，为了进一步提高性能还需要添加相应的性能增强添加剂，如Sb₂O₃、Co₂O₃、MnO₄、NiO等。其中，ZnO-Bi₂O₃系压敏变阻器是目前性能较佳的体系材料，已经商业化应用。目前商业化的ZnO-Bi₂O₃系压敏变阻器的α值通常小于30，I_L值高于1μA/cm²，E_b值在200−500V/mm范围内。^6-8

本研究研发了一种新型的高性能ZnO-Cr₂O₃系压敏变阻器，它使用Cr₂O₃作为形成非线性伏安特性的添加剂，Ca、Co和Sb作为增强性能的添加剂。该新型ZnO-Cr₂O₃系压敏变阻器具有极高的非线性系数；极低的I_L值，小于0.2μA/cm²；较高的E_b值为925V/mm，表现出优异的压敏性能。此外，该体系材料不含有挥发性元素、有毒元素以及昂贵的稀土元素。⁹

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