Modern Methods for the Microscopic Characterization of ZnO Varistor Grain Boundaries
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N. Raidl
Abstract
This study examines ceramic varistors made from zinc oxide whose electrical resistance drops by many orders of magnitude within a few nanoseconds when a critical voltage threshold is exceeded. These unusual properties are caused by charges which are build into grain boundaries or accumulate near the grain boundaries. Zinc oxide crystals are polar and piezoelectric. Therefore, the charges in the grain boundary area and thus the electrical properties of the varistor depend on the orientation of the crystals towards the grain boundaries and on the mechanical tensions in the individual crystals. In this study, the microstructures of ZnO varistors, particularly the size and distribution of the grains and their orientation towards the grain boundaries will be examined. Among other things, lock-in thermography with a target preparation of strongly active grain boundaries and EBSD analyses in combination with SEM examinations, ion-etching and wet-chemical etching for the determination of crystal orientations are used. For selected grain boundaries, the electrical resistance in dependence of the applied voltage is determined via Micro-4 pole measurements.
Kurzfassung
Untersucht werden keramische Varistoren aus Zinkoxid, deren elektrischer Widerstand beim Überschreiten eines kritischen Spannungsschwellwerts binnen weniger Nanosekunden um viele Größenordnungen abnimmt. Diese ungewöhnlichen Eigenschaften werden durch Ladungen verursacht, die in Korngrenzen eingebaut werden bzw. sich in der Nähe der Korngrenzen anreichern. Zinkoxidkristalle sind polar und piezoelektrisch. Daher hängen die Ladungen im Bereich der Korngrenzen und damit die elektrischen Eigenschaften des Varistors von der Orientierung der Kristalle zu den Korngrenzen und von den mechanischen Spannungen in den einzelnen Kristallen ab. In dieser Arbeit werden die Gefüge von ZnO-Varistoren, insbesondere die Größe und Verteilung der Körner und ihre Orientierung in Bezug auf die Korngrenzen charakterisiert. Dazu werden unter anderem Lock-In Thermographie mit einer Zielpräparation von stark stromdurchflossenen Korngrenzen und EBSD-Analysen verknüpft mit REM-Untersuchungen, Ionenätzen und nasschemischem Ätzen zur Bestimmung von Kristallorientierungen verwendet. An ausgewählten Korngrenzen wird auch der elektrische Widerstand in Abhängigkeit von der angelegten Spannung durch mikro-4 Polmessungen ermittelt.
References / Literatur
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