Ανάπτυξη και μελέτη σύνθετων υλικών με μη γραμμικές ιδιότητες
Authors: Μακρής Νικόλαος 
Published: January 2014

Η παρούσα διατριβή στοχεύει στην παρασκευή και μελέτη νέων σύνθετων υαλοκρυσταλλικών υλικών που χαρακτηρίζονται από μη γραμμική ηλεκτρική αντίσταση, δηλαδή συμπεριφέρονται ως varistor (variable resistor). Η συγκεκριμένη ιδιότητα βρίσκει εφαρμογή στη δημιουργία διατάξεων προστασίας συστημάτων επικοινωνίας από διακυμάνσεις και αστάθειες της ηλεκτρικής τροφοδοσίας. Μέχρι σήμερα, ως στοιχεία μη γραμμικής αντίστασης χρησιμοποιούνται κατά κόρον κεραμικά υλικά με βάση το ZnO που εμφανίζουν τη μη γραμμικότητα στην περιοχή των kV. Η δημιουργία κυκλωμάτων επικοινωνιών χαμηλής τροφοδοσίας μερικών V, καθιστά αναγκαία την ανάπτυξη νέων υλικών με μη γραμμική συμπεριφορά στην εν λόγω περιοχή. Εστιάσαμε λοιπόν σε σύνθετα υαλοκρυσταλλικά υλικά αποτελούμενα από μονοκρυστάλλους ZnO ανάμεσα στους οποίους παρεμβάλλεται λεπτό υαλώδες υμένιο. Η παρασκευή των πολυστρωματικών διατάξεων του τύπου ZnO/ύαλος/ZnO πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας εμπλουτισμένα με κατιόντα Co2+ πλακίδια ZnO ανάμεσα στα οποία παρεμβάλλονται οι σκόνες των υάλων. Αρχικά, επιλέχθηκαν χημικά σταθερές οικογένειες υάλων εμπλουτισμένες με μεταλλοκατιόντα που διαθέτουν d-ηλεκτρόνια στην εξωτερική τους στοιβάδα. Ειδικότερα, παρασκευάσθηκαν οι οικογένειες βορικών υάλων βισμουθίου, xBi2O3-(1-x)B2O3, και μολύβδου, xPbO-(1-x)B2O3, σε όλη την περιοχή υάλωσης, 0?x?0.80. Η παρασκευή των βορικών υάλων βισμουθίου και μολύβδου έγινε από λεπτόκοκκο άνυδρο B2O3 και οξείδιο του βισμουθίου, Bi2O3? ή ανθρακικό μόλυβδο, PbCO3, αντίστοιχα.. Στη συνέχεια, έλαβε χώρα ο δομικός χαρακτηρισμός του κρυστάλλου ZnO και των υάλων, με τις φασματοσκοπικές τεχνικές Raman και υπερύθρου. Τα αποτελέσματα συνηγορούν στο ότι τα οξείδια Bi2O3, και PbO δρουν εν μέρει ως τροποποιητές του υαλώδους πλέγματος σχηματίζοντας τη δική τους ξεχωριστή ψευδοφάση μέσα στο βορικό πλέγμα υπό τη μορφή κυρίως οκταέδρων και τετραέδρων, αντίστοιχα, ερμηνεύοντας έτσι την ευρεία περιοχή υάλωσης των υπό μελέτη υάλων. Με βάση τα αποτελέσματα της δομικής μελέτης επιλέχθηκαν οι κατάλληλες συστάσεις υάλων που χαρακτηρίζονται από χημική σταθερότητα, ευκολία τρόπου παρασκευής, με το μέγιστο δυνατό περιεχόμενο σε οξείδιο μετάλλου. Συγκεκριμένα, οι ύαλοι 0.6Bi2O3-0.4B2O3 0.75Bi2O3-0.25B2O3και 0.6PbO-0.4B2O3 χρησιμοποιήθηκαν ως ενδιάμεσα στρώματα για την παρασκευή των σύνθετων υλικών. Η σύνθεση πραγματοποιήθηκε με τη μέθοδο της πυροσυσσωμάτωσης (sintering) σε θερμοκρασία 920°C υπό συνεχή ροή οξυγόνου. Αρχικά, ευρέθη ότι οι. μονοκρυστάλλοι ZnO και τα σύνθετα υλικά, δε χαρακτηρίζονται από μη γραμμικές ηλεκτρικές ιδιότητες. Η εμφάνιση μη γραμμικών ηλεκτρικών χαρακτηριστικών επετεύχθη με τον εμπλουτισμό των κρυστάλλων ZnO με κατιόντα Co, μέσω θερμικής διάχυσης υπό συνεχή ροή O2. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε ο χαρακτηρισμός των διηλεκτρικών ιδιοτήτων των υάλων και σύνθετων υλικών μέσω διηλεκτρικής φασματοσκοπίας. Η μελέτη της μη-γραμμικότητας των σύνθετων υλικών πραγματοποιήθηκε μέσω της καταγραφής των χαρακτηριστικών τους καμπυλών τάσης-έντασης, με εφαρμογή συνεχούς τάσης στην περιοχή 3mV-10V. Όλα τα σύνθετα υλικά χαρακτηρίζονται από μη γραμμική αντίσταση, με περιοχή κατωφλίου περίπου στα 3V. Παράλληλα, ορισμένα υλικά παρουσιάζουν κάποιας μορφής ασυμμετρία στην ηλεκτρική τους συμπεριφορά μεταξύ ορθής και ανάστροφης πόλωσης πιθανόν λόγω ασύμμετρων φραγμάτων δυναμικού στις διεπιφάνειες. Συμπερασματικά, τα σύνθετα υαλλοκρυσταλλικά υλικά που αναπτύχθηκαν στη διάρκεια εκπόνησης της παρούσας διατριβής χαρακτηρίζονται από χημική σταθερότητα, επαναληψιμότητα και μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ενεργητικά στοιχειά σε διατάξεις προστασίας ηλεκτρονικών κυκλωμάτων χαμηλής τροφοδοσίας.