الملخص
تحظى المواد ذات البنية النانومترية باهتمام بالغ وذلك لما ينتج عن استخدامها من تحسن كبير في خواص المادة مقارنة بالمواد الميكرومترية. يعدّ أكسيد الزنك (ZnO) شبه موصل من النوع السالب وله تطبيقات هندسية كثيرة من أهمها صناعة جهاز الفارستر(Varistor) والذي تتغير مقاومته الكهربية وفقاً لفرق الجهد المسّلط. الهدف الأساسي من البحث الحالي هو دراسة مدى تأثير البنية النانومترية على بعض الخواص الكهربية لعينات تمّ معالجتها حراريا (ملبّدة) من أكسيد الزنك. الخواص الكهربية المختارة شملت ما يٌعرف بمعامل اللاخطية(α) حيث أنّه من الخواص الأساسية التي يجب توفرها في ZnO لكي يستخدم في انتاج الفارستر. تمت الدراسة البحثية بطحن مسحوق خشن من ZnO بواسطة طاحونة عالية الطاقة لفترات زمنية تتراوح من 5 الى 15 ساعة. وتم الحصول على مساحيق حبيباتها بحجم النانومتر وأثبتت ذلك القياسات والحسابات التي أجريت باستخدام تحليل حيود الأشعة السينية. هذه المساحيق النانومترية ُشكّلت باستخدام مكبس هيدروليكي وتم اجراء عملية التلبيد عليها عند درجات حرارة تراوحت بين 1100 و 1350 درجة مئوية في فرن عالي الحرارة لفترات زمنية امتدت من 2 الى 4 ساعات. أعلى درجة تكثيف تم انجازها كانت 86% ولكن كان هذا مصحوب بنمو حبيبي جزئي غير مرغوب فيه حيث وصل الحجم الحبيبي الى 399 نانومتر والذي يفوق الحد الأعلى وهو 100 نانومتر لكي تعتبر المادة ذات بنية نانومترية. وتضمن هذا البحث أيضا قياس خصائص التيار– فرق الجهد عن طريق مصدر طاقة عالي الفولت (DC) حيث أوضحت النتائج المتحصل عليها ظاهرة جديدة من السلوك اللاخطي لأكسيد الزنك النقي ذو البنية النانومترية. وتمّ حساب المعامل α وكانت أعلى قيمة له تساوي 6 وهذه في الواقع أقل من القيم المعروفة للفارستر التجاري والتي تتراوح بين 30 و 50. وقد يعزى هذا الى غياب أي أكاسيد أخرى مضافة وكذلك درجة التكثيف المنخفضة التي تم الحصول عليها.
ABSTRACT
Special attention has been devoted to nanostructured materials due to their potential of having greatly improved properties compared to their micro-structured counter-parts. Zinc oxide, ZnO, is an n-type semiconductor which has been applied to many practical devices such as varistors. This present research work involved the subjection of as-received coarse grained ZnO powder to high energy centrifugal ball milling for time periods ranging from 5 to 15 hours. The obtained nano-sized powder particles were characterized via X-ray diffraction analysis, XRD. These powders were then compacted into cylindrical shapes using a hydraulic press and sintered in a temperatures range 1100 to 1350°C in a high temperature furnace for holding times ranging from 2 to 4 hours. The highest degree of achieved densification was 86%, however, this came at the expense of undesired grain growth reaching a gain size of 399 nm which is well above the upper limit of 100 nm for the material to be considered nano-grained. I-V electrical characteristics of the sintered zinc oxide samples were measured using a DC high voltage power supply device. The results obtained showed a novel phenomenon of non-linearity for a pure nanocrystalline zinc oxide material. The highest calculated value of non-linear coefficient, α, came to be 6. This value is lower than the typical values 30 – 50 widely reported for commercial varistors. This is thought to be due to the absence of any metal oxides additives and the low degree of densification achieved.
