"Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός σύνθετων πολυστρωματικών υλικών μεταβλητής αντίστασης για προστασία ηλεκτρονικών και ηλεκτρολογικών διατάξεων χαμηλής τάσης λειτουργίας"

Τα κεραμικά πολυκρυσταλλικά υλικά με βάση το ZnO, κατάλληλα τροποποιημένο με πρόσθετα οξείδια όπως Bi₂O₃, MnO, Co₃O₄ κ.λ.π., χαρακτηρίζονται από υψηλή μη γραμμικότητα στη χαρακτηριστική τους καμπύλη έντασης ρεύματος – τάσης (I-V), γνωστά ως υλικά μεταβλητής αντίστασης, varistors (VARiable resISTORS), και είναι ευρέως διαδεδομένα για τη χρήση τους σε συστήματα προστασίας ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών διατάξεων τροφοδοτούμενων από το δίκτυο των 220V από ανεπιθύμητους παλμούς υπερτάσης ή υπερέντασης στο δίκτυο. 

Στην πράξη, σε φυσιολογικές τάσεις λειτουργίας το varistor λειτουργεί ως αντιστάτης ενώ σε τάσεις πολύ υψηλότερες από την κανονική ενεργεί ως αγωγός. Η μετάβαση από τη φάση του αντιστάτη στη φάση του αγωγού προσδιορίζεται σε κάθε varistor από τη χαρακτηριστική τιμή της τάσης διάσπασής του (breakdown voltage, V_br). Η ιδιότητά αυτή επιτρέπει, σε συνδυασμό με την παράλληλη συνδεσμολογία του varistor με τη διάταξη την οποία θέλουμε να προστατεύσουμε, τη διοχέτευση του ρεύματος ενός παλμού υπερτάσης και υπερέντασης απευθείας στη γείωση χωρίς να εισχωρήσει στη διάταξη προκαλώντας καταστροφικές συνέπειες.    

Τα σύγχρονα υπολογιστικά και τηλεπικοινωνιακά συστήματα βασίζονται στη ραγδαία ανάπτυξη της τεχνολογίας ολοκληρωμένων κυκλωμάτων πολύ μεγάλης κλίμακας ολοκλήρωσης (Very Large Scale Integrated Circuit, VLSI). Η ανάγκη ελαχιστοποίησης της ενεργειακής κατανάλωσης των παραπάνω συστημάτων οδήγησε στη λειτουργία τους σε χαμηλή τάση που δεν ξεπερνά τα μερικά Volts. Παρόμοιες χαμηλές τιμές τάσης λειτουργίας απαντώνται επίσης στις τεχνολογίες που υιοθετούν τη χρήση τεχνολογίας LED. Είναι προφανές ότι η προστασία τέτοιων συστημάτων από παλμούς υπερτάσεων ή υπερεντάσεων της τροφοδοσίας τους απαιτεί το σχεδιασμό διατάξεων απορρόφησης τέτοιων παλμών σε χαμηλή τάση λειτουργίας.

Η μη γραμμική συμπεριφορά των varistors αποδίδεται στην ανάπτυξη φραγμάτων δυναμικού ανάμεσα στις διεπιφάνειες (grain boundaries) μεταξύ γειτονικών κόκκων ZnO με διαφορετικό κρυσταλλογραφικό προσανατολισμό. Κάθε διεπιφάνεια στα κεραμικά πολυκρυσταλλικά ZnO varistors είναι γνωστό ότι χαρακτηρίζεται από μια τάση διάσπασης ίση με 3V. Κατά συνέπεια, είναι αναμενόμενη η δυνατότητα κατασκευής varistors αποτελούμενων από συγκεκριμένο αριθμό n διεπιφανειών με V_br ίσο με 3nV. Ειδικότερα, η χρήση  μονοκρυστάλλων ZnO σε σύνθετα πολυστρωματικά υλικά του τύπου ZnO/ύαλος/ZnO έχει οδηγήσει ήδη στην ανάπτυξη varistors με τάση διάσπασης ίση με 3V, κατάλληλων για προστασία διατάξεων χαμηλής τάσης λειτουργίας. Η χρήση του ενδιάμεσου στρώματος της υάλου αποσκοπούσε κυρίως στη βελτίωση της μηχανικής αντοχής του τελικού προϊόντος χωρίς να έχει γίνει μέχρι σήμερα μια συστηματική συσχέτιση των ιδιοτήτων του varistor τύπου ZnO/ύαλος/ZnO με τις δομικές και δυναμικές ιδιότητες της υάλου.

Η προτεινόμενη διδακτορική διατριβή αποσκοπεί στην ανάπτυξη και στο χαρακτηρισμό πολυστρωματικών varistors ZnO/ύαλος/ZnO χαμηλής τάσης διάσπασης δίνοντας ιδιαίτερη βαρύτητα στο συσχετισμό των δομικών και δυναμικών ιδιοτήτων της υάλου με τις χαρακτηριστικές ιδιότητες του varistor, όπως για παράδειγμα την τάση διάσπασης και τον εκθέτη μη γραμμικότητας. Για το σκοπό αυτό, αρχικά θα παρασκευασθούν βορικές ύαλοι εμπλουτισμένες με οξείδια μετάλλων, όπως για παράδειγμα οι οικογένειες xMnO-(1-x)B₂O₃ και xCo₃O₄-(1-x)B₂O₃, καλύπτοντας συστηματικά όλη την περιοχή υάλωσης. Τα δείγματα που θα προκύψουν από τη σύνθεση θα έχουν τη μορφή μονολιθικών (bulk) και κυλινδρικών δοκιμίων. 

Η δομική μελέτη των υαλωδών δοκιμίων θα πραγματοποιηθεί μέσω δονητικής φασματοσκοπίας υπερύθρου και Raman κυρίως σε μονολιθικά δείγματα. Οι δύο συγκεκριμένες τεχνικές είναι συμπληρωματικές με την έννοια ότι στην πρώτη είναι κυρίως ενεργές οι ασύμμετρες δονήσεις των δομικών μονάδων του υαλώδους πλέγματος, ενώ στη δεύτερη συνεισφέρουν κυρίως οι αντίστοιχες συμμετρικές δονήσεις των μονάδων. Συνεπώς, η υιοθέτηση των δύο παραπάνω τεχνικών δίνει μια πλήρη αποτίμηση της υαλώδους πλεγματικής δομής. Η περαιτέρω ανάλυση των μετρούμενων φασμάτων υπερύθρου και Raman θα επιτρέψει την πλήρη χαρτογράφηση της δομής του βορικού πλέγματος σε συνάρτηση με τη χημική σύσταση. 

Η δυναμική μελέτη των υάλων θα γίνει μέσω της ανάλυσης των φασμάτων κατοπτρικής ανακλαστικότητας στο άπω υπέρυθρο και μετρήσεων διηλετρικής εμπέδησης. Στην πρώτη περίπτωση, αποτιμώνται οι δονήσεις των μεταλλοκατιόντων στις πλεγματικές θέσεις υποδοχής των, ενώ η φασματοσκοπία διηλεκτρικής εμπέδησης επιτρέπει τη μελέτη των δυναμικών ιδιοτήτων της υάλου, λ.χ. τιμή dc αγωγιμότητας και ενέργεια ενεργοποίησης, σε ευρύ φάσμα συχνοτήτων που κυμαίνονται από μερικά Hz μέχρι 10 MHz. Οι δυναμικές ιδιότητες των υάλων θα μελετηθούν και αυτές συστηματικά συναρτήσει της χημικής σύστασης.

Έχοντας μια λεπτομερή και συνεχή αποτίμηση των δομικών και δυναμικών ιδιοτήτων του ενδιάμεσου υαλώδους στρώματος, στη συνέχεια της διατριβής θα παρασκευασθούν πολυστρωματικά varistors του τύπου ZnO/ύαλος/ZnO με τη μέθοδο της πυροσυσσωμάτωσης (sintering). Τα varistors θα μελετηθούν μέσω της μέτρησης της χαρακτηριστικής τους καμπύλης έντασης ρεύματος – τάσης (I-V), σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Η ανάλυση των χαρακτηριστικών θα στοχεύει στη διερεύνηση ύπαρξης μη γραμμικών ιδιοτήτων, στην αποτίμηση της τάσης διάσπασης καθώς και στον προσδιορισμό του εκθέτη μη γραμμικότητας. Τα χαρακτηριστικά των varistors θα συσχετισθούν τέλος τόσο με τις δομικές όσο και με τις δυναμικές ιδιότητες των υάλων αποσκοπώντας στην εύρεση της καταλληλότερης χημικής σύστασης με τις βέλτιστες μη γραμμικές ηλεκτρικές ιδιότητες.

Τέλος, τα varistors που θα παρουσιάζουν τα καλύτερα χαρακτηριστικά θα δοκιμασθούν σε πραγματικές συνθήκες, διαμορφώνοντας τα κατάλληλα σε διατάξεις προστασίας κυκλωμάτων. Ο έλεγχος σε πραγματικές συνθήκες θα δείξει την επαναληψιμότητα λειτουργίας των varistors σε συνθήκες παλμών υπερτάσης, το χρόνο απόκρισής τους σε διαδοχικούς ανεπιθύμητους παλμούς και πιθανώς τη διάρκεια ζωής τους παράλληλα με τις συνθήκες γήρανσής τους.