Herstellung, Charakterisierung und elektrische Eigenschaften von modifizierten SiO2 Sol-Gel-Schichten für die Elektrotechnik/Elektronik

Shimamura, Aki

Summary Silica films prepared by sol-gel process show high resistance of >10^15O·cm. In this study the resistivity of the sol-gel films could be reduced by the addition of conductive fillers into the glass films. Silica thin films containing carbon black or rutheniumoxide nanoparticles can be synthesised via the sol-gel process. The precursors were synthesised using an acid hydrolysis of a mixture of TEOS and MTEOS. The films were precipitated on silicon wafers, silica and glass sheets. The thickness, morphology and composition of the films were characterised. The electrical properties of the films were investigated and the dependence of the resistivity on the concentration of filler, the current-voltage characteristics, the relation of the resistivity to the frequency and the temperature coefficient of resistance were measured. The conductivity mechanisms of the films can be discussed with the percolation theory and a model of two kinds of pairs of conductive particles. As possible practical application of the films, SMD resistors were produced with sol-gel resistive films containing carbon black or rutheniumoxid particles. These thin films can be considered as promising functional materials for new miniaturized resistors.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden durch Anwendung des Sol-Gel-Prozesses nanoskalierte Schichten mit spezifischen elektrischen Eigenschaften hergestellt, die eine Anwendung als Funktionswerkstoffe in der Elektrotechnik/Elektronik finden können. Da Sol-Gel-Schichten auf der Basis von Siliziumdioxid (SiO2) mit großer mechanischer und chemischer Beständigkeit einen hohen elektrischen Widerstand von >1015O·cm besitzen, wurden erstmalig zur gezielten Herabsetzung des elektrischen Widerstandes dieser Schichten in der dielektrischen Matrix (SiO2) elektrisch leitende Partikel aus Kohlenstoff (Ruß) oder Rutheniumdioxid in einem weiten Konzentrationsbereich dispergiert. Die durch Hydrolyse von TEOS und MTEOS hergestellten Schichten wurden hinsichtlich ihrer Dicke, Morphologie, Struktur und Zusammensetzung charakterisiert. Die elektrischen Eigenschaften dieser neuartigen Sol-Gel-Schichten wurden untersucht und die Abhängigkeit des Widerstandes von der Füllstoffskonzentration, der Frequenz und der Temperatur so wie das I-V-Verhalten ermittelt. Der elektrische Leitungsmechanismus wird im Rahmen der Perkolationstheorie und eines daraus abgeleiteten geometrischen Modells starrer elektrisch leitender Kugeln in einer isolierenden Matrix diskutiert. Mittels Siebdruck wurden erstmals SMD-Widerstände hergestellt, die aus einer kohlenstoffhaltigen Sol-Gel-Funktionsschicht und einer Sol-Gel-Passivierungsschicht bestehen. Die kohlenstoffhaltigen Schichten können darüber hinaus auch für regelbare Widerstände und Wegsensoren mit erhöhter Abriebfestigkeit und Temperaturbeständigkeit eingesetzt werden. Durch Dip-coating wurden dünne RuO2-haltige Sol-Gel-Schichten für SMD-Widerstände abgeschieden. Weiterhin können diese RuO2-haltigen Schichten in Feuchtsensoren verwendet werden.

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Shimamura, Aki: Herstellung, Charakterisierung und elektrische Eigenschaften von modifizierten SiO2 Sol-Gel-Schichten für die Elektrotechnik/Elektronik. 2004.

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