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NTC热敏电阻的导电机理
返回列表 来源: 发布日期: 2020.11.18

电子跳跃模型(electron hopping model)是目前在Ni-Mn-O系NTC热敏陶瓷中被广泛认可和接受的导电机理。该模型认为在该体系中电子导电存在两个条件:(1)金属离子的价态是可以变价的;(2)变价的金属离子在晶体学中占据相同的位置。对于Ni-Mn-O材料体系而言,一般都含有可变价的Mn离子,存在+4 、+3、+2等诸多价态,其中Mn 4++和Mn3+离子一般倾向于进入尖晶石结构中的B位,而Mn2+离子则会倾向进入A位。在尖晶石结构中,由于B-B位之间的距离略小于A-A位之间的距离,所以电子会在距离较短的B位Mn4+离子和Mn3+离子之间进行跳跃,产生跳约导电。以NixMn3-xO4(03O4,众所周知Mn3O4是绝缘体,电阻率非常大,它的阳离子分布形式一般为[Mn2+]A[Mn3+Mn3+]BO4,可以看出在B位此时只存在Mn3+单一阳离子,没有其他价态的Mn离子存在,电子于是不能进行跳跃导电,所以Mn3O4电阻率非常大,导电特性为绝缘体。当向Mn3O4中掺入Ni元素时,一般以Ni2+离子状态存在,从表1中可以知道,Ni2+离子在八面体间隙位置优先占据能(OSPE)高达22.8,所以Ni2+离子优先进入B位。Ni2+离子进入B位后,为了保持电价中性,此时位于B位的Mn3+离子必将发生变价成为更高价态的Mn4+离子,此时NixMn3-xO4的阳离子分布情况可写成:[Mn2+]A[Ni2+xMn4+xMn3+2-2x]BO4,可以看出,此时在B位存在Mn4+和Mn3+两种价态的离子,于是电子便可以在Mn4+和Mn3离子之间产生跳跃电导,电阻率下降,且随着掺入的Ni含量的增加,电阻率继续呈现下降的趋势。理论上可以通过下式来 计算电导率:     4   (1)
        其中 ,5 是八面体位置的浓度, 是电子跳跃距离, 是与传导相关的晶格热振动的频率, 是玻尔兹曼常数, 是电子的基本电荷,[Mn4+]和[Mn3+]是八面体中Mn4+ 离子和Mn3+离子的浓度, 是电子跳跃需要克服的势垒。理论计算可知, 当[Mn3+]=[Mn4+]时,即x=2/3,电阻率将有极小值,若继续增加Ni元素的含量,电阻率则会逐渐增加。Fritsch就系统研究了NixMn3-xO4(0.6


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     图2  NixMn3-xO4电阻率随镍含量变化示意图,两种陶瓷金属化工艺:(a)真空蒸发镀膜(没有热处理过程); (b)丝网印刷工艺(850°C烧银)。


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