CN109859916B

CN109859916B - 一种基于稀土镍基钙钛矿化合物的Delta温区电阻

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Publication number: CN109859916B
Application number: CN201910036870.7A
Authority: CN
Inventors: 陈吉堃; 张秀兰; 姜勇
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2019-01-15
Filing date: 2019-01-15
Publication date: 2021-06-01
Anticipated expiration: 2039-01-15
Also published as: CN109859916A

Abstract

本发明提供一种基于热力学亚稳定状态的扭曲钙钛矿结构稀土镍基钙钛矿化合物的Delta温区电阻，其电学特征在于，所述材料电阻率在一段设定的温度区间内明显高于其之外两端范围，从而呈现电阻率随温度的Delta变化。通过改变稀土镍基钙钛矿化合物钙钛矿结构中A原子位的稀土元素比例、材料应力状态、应力加载取向等手段，可以实现对Delta电阻温度范围、区间宽度、以及电阻值变化等参数的精准调节。该发明属于电子信息与电子器件领域，所述电阻率率随温度的Delta变化特性，在实现从而实现对特定温度区间范围的功能锁定、电路保护、涌浪电流抑制等电路智能化控制设计中具有可观的应用价值。

Description

一种基于稀土镍基钙钛矿化合物的Delta温区电阻

技术领域

本发明属于电子信息与电子器件领域，具体地涉及一种基于稀土镍基钙钛矿化合物的Delta温区电阻。

背景技术

开发具有温度敏感特性的电子元器件，在温度探测、红外辐射探测、微波吸收与探测、温差发电等应用方面具有重要的科学意义与应用价值；同时，也为智能电路的开发与设计提供了丰富的组成元素【1-30】。常见的温度敏感电子元器件包括热敏电阻材料【1-20】、热电材料【21-25】、金属绝缘体相转变材料【26-30】等。其中，热敏电阻材料利用了材料电阻率随温度的单调变化，可以实现对温度以及热扰动的探测【1-5】。热敏电阻按材料电阻率随温度升高而增大或减小，可以分为正电阻温度系数(PTCR)或负电阻温度系数(NTCR)热敏电阻。特别地，基于热敏电阻的红外热敏电阻材料的微测辐射热计焦平面阵列探测技术具有无需制冷、可实现集成电路技术、表面微加工技术和薄膜沉积技术等有机结合、低成本、低功耗、长寿命、小型化和可靠性等诸多优点【6-20】。而利用热电材料或贵金属材料的赛贝克效应，即两端在温度梯度下所产生的电压信号，同样可以实现对温度、温度差等物理参数的测量【21-25】。最为经典的是基于铂、铂铑等贵金属材料制备的热电偶被广泛应用于对温度的常规测量。与传统半导体材料相比，如二氧化钒、稀土镍基钙钛矿化合物等d-电子强关联化合物具有一定温度下电阻率的突变【26-30】，可应用于电路或电子元器件的温度保护、涌浪电流抑制等方面。

然而不可否认的是，现有的温度敏感电子材料与器件大多利用电输运性质随温度的单调变化。相比而言，领域内尚缺乏可实现电阻Delta变化的电子材料及器件应用。

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发明内容

本发明的目的在于提供一种基于稀土镍基钙钛矿化合物的Delta温区电阻，材料在一设定温度区间段内的电阻率明显高于其它温度区间。该特性可应用于电路设计，实现对特定温度区间范围的功能锁定以及电路智能化控制设计。

本发明的主要构思在于：利用处于热力学亚稳态的稀土镍基钙钛矿化合物在一设定温度区间电阻率明显高于其它温度范围的特性，制备可随温度而呈现Delta变化的智能电阻，从而实现对特定温度区间范围的功能锁定、电路保护、涌浪电流抑制等电路智能化控制设计。通过稀土镍基钙钛矿化合物钙钛矿结构中A原子位的稀土元素比例、材料应力状态、应力加载取向等手段，可以实现对Delta电阻所在温度、区间宽度、阻值变化范围等参数进行精准调节。

一种基于稀土镍基钙钛矿化合物的Delta温区电阻，其特征在于，所述Delta温区电阻材料包含：块体材料、薄膜、晶须材料、纳米线、纳米粉；其晶体结构包含单晶结构、多晶结构；制备该电阻的材料为具有热力学亚稳定状态与扭曲钙钛矿结构的稀土镍基钙钛矿(ABO₃)氧化物；其化学组成为ReNiO₃：Re位(A位)为稀土元素以及具有正三价的类稀土元素的单一元素或多元素组合；镍元素(Ni)占据钙钛矿结构中的B位。

进一步地，所述Re位(A位)为钐(Re＝Sm)、钇(Re＝Y)、铕(Re＝Eu)、镝(Re＝Dy)、铥(Tm)、钆(Gd)、钬(Ho)、镱(Yb)、铽(Tb)、钐钕(Re＝Sm_xNd_1-x，0<x<1)、铕钕(Re＝Eu_xNd_1-x，0<x<1)；铕铺(Re＝Eu_xPr_1-x，0<x<1)。

进一步地，所述材料的电阻率在一段设定的温度区间内明显高于其之外两端范围1-5个数量级，从而呈现电阻率随温度的Delta变化。

进一步地，将所述电阻率率随温度的Delta变化应用于电路设计，通过该电阻与其它电子器件的并联分流或串联分压效应，实现对特定温度区间范围的器件功能锁定、电路保护、涌浪电流抑制电路智能化控制设计。

进一步地，通过改变稀土镍基钙钛矿化合物钙钛矿结构中A原子位的稀土元素比例，实现对Delta电阻温度范围、区间宽度、以及电阻值变化参数的精准调节。

进一步地，通过对所述材料施加应力，并控制加载取向，neng实现对Delta电阻温度范围、区间宽度、以及电阻值变化参数的精准调节。

本发明人经过广泛而深入的研究，通过改进制备工艺，获得了一种基于稀土镍基钙钛矿化合物的Delta温区电阻。与传统的电阻、热敏电阻等电子元器件相区别，所制备基于亚稳态扭曲钙钛矿结构的稀土镍基钙钛矿氧化物在一设定温度区间电阻率明显高于其它温度范围的特性，即实现电阻随温度而的Delta区间变化。通过改变稀土镍基钙钛矿化合物钙钛矿结构中A原子位的稀土元素比例、材料应力状态、应力加载取向等手段，可以实现对Delta电阻温度范围、区间宽度、以及电阻值变化等参数的精准调节。所述Delta温区电阻可应用于智能电路设计中，实现对特定温度区间范围的功能锁定、电路保护、涌浪电流抑制等电路智能化控制设计。本发明在电子信息、电子器件、智能电路设计、自动化控制等方面具有可观的应用价值与宽广的应用前景。

附图说明

图1为处于压应力状态下的钐镍氧钙钛矿氧化物(SmNiO₃)的Delta电阻-温度变化关系。

图2为铕镍氧钙钛矿氧化物(EuNiO₃)的Delta电阻-温度变化关系。

图3为镝镍氧钙钛矿氧化物(DyNiO₃)的Delta电阻-温度变化关系。

图4为铥镍氧钙钛矿氧化物(TmNiO₃)的Delta电阻-温度变化关系。

图5为钐钕镍氧钙钛矿氧化物(Sm_0.75Nd_0.25NiO₃)的Delta电阻-温度变化关系。

图6为处于应力松弛状态下的钐镍氧钙钛矿氧化物(SmNiO₃)的Delta电阻-温度变化关系。

具体实施方式

实施例1：

制备处于压应力状态下的钐镍氧钙钛矿氧化物(SmNiO₃)薄膜材料，其具有图1所示电阻温度变化关系。可以看出，该材料在50K附近的狭窄温度范围内的电阻远高于其它温度范围，呈现随温度的突变变化(Delta电阻变化)。将该材料进一步作为Delta电阻应用于电路中，通过对电阻阻值的测量，实现了对温度是否处于50K附近温度的探测与判定。

实施例2：

制备出铕镍氧钙钛矿氧化物(EuNiO₃)薄膜材料，其具有图2所示电阻温度变化关系。可以看出，该材料在70K附近的狭窄温度范围内的电阻远高于其它温度范围，呈现随温度的突变变化(Delta电阻变化)。将该材料进一步作为Delta电阻应用于电路中，通过对电阻阻值的测量，实现了对温度是否处于70K附近温度的探测与判定。进一步地，将该Delta电阻与电路中另一电阻小于Delta电阻电子器件并联，将Delta电阻作为该电子器件的分流电阻。由此实现了电流在70K附近范围流经电子器件，而在此外的温度范围内流经Delta电阻。

实施例3：

制备出镝镍氧钙钛矿氧化物(DyNiO₃)薄膜材料，其具有图3所示电阻温度变化关系。可以看出，该材料在90K附近的狭窄温度范围内的电阻远高于其它温度范围，呈现随温度的突变变化(Delta电阻变化)。将该材料进一步作为Delta电阻应用于电路中，通过对电阻阻值的测量，实现了对温度是否处于90K附近温度的探测与判定。进一步地，将该Delta电阻与电路中另一电子器件串联，将Delta电阻作为该电子器件的分压电阻。由此实现了电压在90K附近加载到Delta电阻上，而在此外的温度范围内加载到电子器件上。

实施例4：

制备出铥镍氧钙钛矿氧化物(TmNiO₃)薄膜材料，其具有图4所示电阻温度变化关系。可以看出，该材料在130K附近的狭窄温度范围内的电阻远高于其它温度范围，呈现随温度的突变变化(Delta电阻变化)。将该材料进一步作为Delta电阻应用于电路中，通过对电阻阻值的测量，实现了对温度是否处于130K附近温度的探测与判定。进一步地，将该Delta电阻与电路中另一电阻小于Delta电阻电子器件并联，将Delta电阻作为该电子器件的分流电阻。由此实现了电流在130K附近范围流经电子器件，而在此外的温度范围内流经Delta电阻。

实施例5：

制备出钐钕镍氧钙钛矿氧化物(Sm_0.75Nd_0.25NiO₃)薄膜材料，其具有图5所示电阻温度变化关系。可以看出，该材料在20K附近的狭窄温度范围内的电阻远高于其它温度范围，呈现随温度的突变变化(Delta电阻变化)。将该材料进一步作为Delta电阻应用于电路中，通过对电阻阻值的测量，实现了对温度是否处于20K附近温度的探测与判定。进一步地，将该Delta电阻与电路中另一电阻小于Delta电阻电子器件并联，将Delta电阻作为该电子器件的分流电阻。由此实现了电流在20K附近范围流经电子器件，而在此外的温度范围内流经Delta电阻。

实施例6：

制备处于应力松弛状态下的钐镍氧钙钛矿氧化物(SmNiO₃)薄膜材料，其具有图6所示电阻温度变化关系。可以看出，该材料在30K附近的狭窄温度范围内的电阻远高于其它温度范围，呈现随温度的突变变化(Delta电阻变化)。相比于处于压应力状态下的SmNiO₃，通过将应力松弛，实现了对Delta电阻温区的有效降低。将该材料进一步作为Delta电阻应用于电路中，通过对电阻阻值的测量，实现了对温度是否处于30K附近温度的探测与判定。

实施例7：

制备铕镍氧钙钛矿氧化物(EuNiO₃)晶须材料，该材料在85K附近的狭窄温度范围内的电阻远高于其它温度范围，呈现随温度的突变变化(Delta电阻变化)。将该材料进一步作为Delta电阻应用于电路中，通过对电阻阻值的测量，实现了对温度是否处于85K附近温度的探测与判定。进一步地，将该Delta电阻与电路中另一电阻小于Delta电阻电子器件并联，将Delta电阻作为该电子器件的分流电阻。由此实现了电流在85K附近范围流经电子器件，而在此外的温度范围内流经Delta电阻。

实施例8：

制备钐镍氧钙钛矿氧化物(SmNiO₃)多晶块体材料，该材料在40K附近的狭窄温度范围内的电阻远高于其它温度范围，呈现随温度的突变变化(Delta电阻变化)。将该材料进一步作为Delta电阻应用于电路中，通过对电阻阻值的测量，实现了对温度是否处于40K附近温度的探测与判定。

实施例9：

制备出钐钕镍氧钙钛矿氧化物(Sm_0.5Nd_0.5NiO₃)多晶块体材料，该材料在10K附近的狭窄温度范围内的电阻远高于其它温度范围，呈现随温度的突变变化(Delta电阻变化)。将该材料进一步作为Delta电阻应用于电路中，通过对电阻阻值的测量，实现了对温度是否处于10K附近温度的探测与判定。进一步地，将该Delta电阻与电路中另一电阻小于Delta电阻电子器件并联，将Delta电阻作为该电子器件的分流电阻。由此实现了电流在10K附近范围流经电子器件，而在此外的温度范围内流经Delta电阻。

实施例10：

制备出镝镍氧钙钛矿氧化物(DyNiO₃)多晶块体材料，该材料在80K附近的狭窄温度范围内的电阻远高于其它温度范围，呈现随温度的突变变化(Delta电阻变化)。将该材料进一步作为Delta电阻应用于电路中，通过对电阻阻值的测量，实现了对温度是否处于80K附近温度的探测与判定。进一步地，将该Delta电阻与电路中另一电子器件串联，将Delta电阻作为该电子器件的分压电阻。由此实现了电压在80K附近加载到Delta电阻上，而在此外的温度范围内加载到电子器件上。

实施例11：

制备出铥镍氧钙钛矿氧化物(TmNiO₃)粉体材料，其单一粉体直径在50微米左右，且在150K附近的狭窄温度范围内的电阻远高于其它温度范围，呈现随温度的突变变化(Delta电阻变化)。将该材料进一步作为Delta电阻应用于电路中，通过对电阻阻值的测量，实现了对温度是否处于150K附近温度的探测与判定。进一步地，将该Delta电阻与电路中另一电阻小于Delta电阻电子器件并联，将Delta电阻作为该电子器件的分流电阻。由此实现了电流在150K附近范围流经电子器件，而在此外的温度范围内流经Delta电阻。

Claims

1.一种基于稀土镍基钙钛矿化合物的Delta温区电阻在Delta温区的应用，其特征在于，所述Delta温区电阻材料包含：块体材料、薄膜、晶须材料、纳米线、纳米粉；其晶体结构包含单晶结构、多晶结构；制备该电阻的材料为具有热力学亚稳定状态与扭曲钙钛矿结构的稀土镍基钙钛矿（ABO₃）氧化物；其化学组成为ReNiO₃：Re位（A位）为稀土元素以及具有正三价的类稀土元素的单一元素或多元素组合；镍元素（Ni）占据钙钛矿结构中的B位；

所述材料的电阻率在一段设定的温度区间内明显高于其之外两端范围1-5个数量级，从而呈现电阻率随温度的Delta变化；

所述电阻率率随温度的Delta变化可应用于电路设计，通过该电阻与其它电子器件的并联分流或串联分压效应，实现对特定温度区间范围的器件功能锁定、电路保护、涌浪电流抑制电路智能化控制设计。

2.如权利要求1所述一种基于稀土镍基钙钛矿化合物的Delta温区电阻在Delta温区的应用，其特征在于，所述Re位（A位）为钐（Re=Sm）、钇（Re=Y）、铕（Re=Eu）、镝（Re=Dy）、铥(Tm)、钆（Gd）、钬（Ho）、镱（Yb）、铽（Tb）、钐钕（Re=Sm_xNd_1-x，0<x<1）、铕钕（Re=Eu_xNd_1-x，0<x<1）；铕铺（Re=Eu_xPr_1-x，0<x<1）。

3.如权利要求1所述一种基于稀土镍基钙钛矿化合物的Delta温区电阻在Delta温区的应用，其特征在于，通过改变稀土镍基钙钛矿化合物钙钛矿结构中A原子位的稀土元素比例，实现对Delta电阻温度范围、区间宽度、以及电阻值变化参数的精准调节。

4.如权利要求1所述一种基于稀土镍基钙钛矿化合物的Delta温区电阻在Delta温区的应用，其特征在于，通过对所述材料施加应力，并控制加载取向，能实现对Delta电阻温度范围、区间宽度、以及电阻值变化参数的精准调节。