外电场下含有缔合缺陷的ZnO/<inline-formula><tex-math id="Z-20220101162405">\begin{document}${\boldsymbol{\beta }}$\end{document}</tex-math><alternatives><graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="2-20210635_Z-20220101162405.jpg"/><graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="2-20210635_Z-20220101162405.png"/></alternatives></inline-formula>-Bi<sub>2</sub>O<sub>3</sub>界面电学性能

李亚莎; 刘世冲; 刘清东; 夏宇; 胡豁然; 李光竹

doi:10.7498/aps.71.20210635

摘要

电力设备的安全运行很大程度上取决于避雷器的过电压保护水平, ZnO压敏电阻因具有优异的非线性伏安特性而广泛应用于电力系统避雷器的核心元件. 为了从微观结构上了解ZnO压敏电阻的电学性能, 本文采用基于密度泛函理论的第一性原理对含有锌填隙Zn_i与氧空位V_o缺陷的ZnO/β-Bi₂O₃界面进行分析计算, 并研究其在不同外电场下的相关电学性质. 计算结果表明, 弛豫后氧空位V_o缺陷发生迁移. 在外电场的作用下, 填隙Zn离子向界面处偏移, 界面能在电场强度超过0.1 V/Å后快速升高, 界面之间的相互作用力变大, 层间距减小, 体系导电性迅速增强. 采用差分电荷密度、功函数以及Bader电荷分析方法, 计算出了界面处的势垒高度, 证实了内建电场是ZnO压敏电阻具有非线性伏安特性的重要原因. 采用态密度分析的方法, 分析了原子轨道能级、陷阱能级以及能隙等微观参数对ZnO压敏电阻宏观导电性能的影响. 本工作通过调控外电场的强度对含有缔合缺陷的ZnO/β-Bi₂O₃界面不同电气参数进行分析, 为理解和调控ZnO压敏电阻的电学特性提供了新的思路.

关键词:

Abstract

The safe operation of power equipment largely depends on the overvoltage protection level of the arrester. The ZnO varistors are widely used as the core components of the arresters in power systems because of the excellent nonlinear volt-ampere characteristics. In order to study the electrical properties of ZnO varistors under different external electric fields from the microstructure, the method of first-principles based on density functional theory (DFT) is used, and structure of ZnO/β-Bi₂O₃ interface containing zinc interstitial (Zn_i) and oxygen vacancy (V_o) defects is built. The results show that the V_o defect migrates after full relaxation. The Zn_i shifts to the interface under an external electric field. The interface energy increases rapidly after the electric field intensity has exceeded 0.1 V/Å, which means that the interaction force between the interfaces becomes larger, the distance between ZnO and β-Bi₂O₃ layers decreases, and the conductivity increases rapidly. The differential charge density, work function and Bader charge analysis method are used to calculate the barrier height at the interface, which proves that the built-in electric field is an important cause ingredient responsible for the non-linear volt-ampere characteristics of ZnO varistors. The effects of atomic orbital energy level, trap energy level and energy gap on the macroscopic conductivity of ZnO varistors are analyzed by using the method of density of states analysis. In this work are analyzed the different electrical parameters of the ZnO/β-Bi₂O₃ interface with aggregation defects by adjusting the intensity of the external electric field, and a new idea is provided for learning the electrical characteristics of ZnO varistors.

Keywords:

作者及机构信息

三峡大学电气与新能源学院, 宜昌　443002

通信作者: 李亚莎, liyasha@ctgu.edu.cn

基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 51577105)资助的课题

Authors and contacts

College of Electrical and New Energy, Three Gorge University, Yichang 443002, China

Corresponding author: Li Ya-Sha, liyasha@ctgu.edu.cn

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51577105)

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参考文献

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施引文献

图 1 含有缔合缺陷的ZnO(002)/β-Bi₂O₃(210)界面初始模型

Fig. 1. Initial model of ZnO(002)/β-Bi₂O₃(210) interface with aggregation defects.

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图 2 界面层间距收敛测试数据

Fig. 2. Convergence of interfacial layer spacing test data.

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图 3 含有缔合缺陷的ZnO(002)/β-Bi₂O₃(210)界面优化模型

Fig. 3. Optimization model of ZnO(002)/β-Bi₂O₃(210) interface with aggregation defects.

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图 4 ZnO/β-Bi₂O₃界面能

Fig. 4. Interface energy of ZnO/β-Bi₂O₃.

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图 5 ZnO/β-Bi₂O₃体系HOMO与LUMO能量

Fig. 5. HOMO and LUMO energy of ZnO/β-Bi₂O₃.

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图 6 差分电荷密度　(a) 电场强度为0 V/Å; (b) 电场强度为0.1 V/Å; (c) 电场强度为0.25 V/Å

Fig. 6. Differential charge density: (a) Electric field strength is 0 V/Å; (b) electric field strength is 0.1 V/Å; (c) electric field strength is 0.25 V/Å.

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图 7 界面的肖特基势垒高度

Fig. 7. Schottky barrier height of the interface.

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图 8 沿着z轴方向的平均功函数

Fig. 8. Average work function along the z axis.

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图 9 界面的态密度和分波态密度　(a) 电场强度为0 V/Å; (b)电场强度为0.1 V/Å; (c)电场强度为0.25 V/Å

Fig. 9. Interface density of states and partial density of states: (a) Electric field strength is 0 V/Å; (b) electric field strength is 0.1 V/Å; (c) electric field strength is 0.25 V/Å.

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表 1 界面结构晶格失配度

Table 1. Interfacial structure lattice mismatch.

	U/Å	V/Å
ZnO(002)	5.628	16.246
Bi₂O₃(210)	5.630	17.307
晶格失配度/%	0.018	3.160

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表 2 不同电场下Bader电荷分析

Table 2. Bader charge analysis with different electric fields.

Layer	Species	Electric field/(V·Å^–1)·	Total/e	Charge/e
ZnO	Zn	0	339.845	32.155
		0.10	340.959	31.041
		0.25	340.805	31.195
	O	0	211.328	–31.328
		0.10	209.399	–29.399
		0.25	210.394	–30.394
β–Bi₂O₃	Bi	0	158.342	21.658
		0.10	160.337	19.663
		0.25	159.098	20.902
	O	0	136.486	–22.486
		0.10	135.304	–21.304
		0.25	135.703	–21.703

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外电场下含有缔合缺陷的ZnO/${\boldsymbol{\beta }}$-Bi₂O₃界面电学性能

Electrical properties of ZnO/${\boldsymbol{\beta}} $-Bi₂O₃ interfaces featuring aggregation defect under external electric fields

摘要

Abstract

作者及机构信息

三峡大学电气与新能源学院, 宜昌　443002

通信作者: 李亚莎, liyasha@ctgu.edu.cn

Authors and contacts

College of Electrical and New Energy, Three Gorge University, Yichang 443002, China

Corresponding author: Li Ya-Sha, liyasha@ctgu.edu.cn

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