This study describes the doping effect of $Yb_2O_3$ on microstructure, electrical and dielectric properties of $ZnO-V_2O_5-MnO_2-Nb_2O_5$ (ZVMN) ceramic semiconductors sintered at a temperature as low as $900^{\circ}C$. As the doping content of $Yb_2O_3$ increases, the ceramic density slightly increases from 5.50 to $5.54g/cm^3$; also, the average ZnO grain size is in the range of $5.3-5.6{\mu}m$. The switching voltage increases from 4,874 to 5,494 V/cm when the doping content of $Yb_2O_3$ is less than 0.1 mol%, whereas further doping decreases this value. The ZVMN ceramic semiconductors doped with 0.1 mol% $Yb_2O_3$ reveal an excellent nonohmic coefficient as high as 70. The donor density of ZnO gain increases in the range of $2.46-7.41{\times}10^{17}cm^{-3}$ with increasing doping content of $Yb_2O_3$ and the potential barrier height and surface state density at the grain boundaries exhibits a maximum value (1.25 eV) at 0.1 mol%. The dielectric constant (at 1 kHz) decreases from 592.7 to 501.4 until the doping content of $Yb_2O_3$ reaches 0.1 mol%, whereas further doping increases it. The value of $tan{\delta}$ increases from 0.209 to 0.268 with the doping content of $Yb_2O_3$.
The effect of Sm2O3 doping on the microstructure and electrical properties of the ZPCCA-based varistors is comprehensively investigated. The increase of doping content of Sm2O3 results in better densification (from 5.70 to 5.82 g/cm3) and smaller mean grain size (from 7.8 to 4.1 ㎛). The breakdown electric field increases significantly from 2568 to 6800 V/cm as the doping content of Sm2O3 increases. The doping of Sm2O3 remarkably improves the nonlinear properties (increasing from 23.9 to 91 in the nonlinear coefficient and decreasing from 35.2 to 0.2 µA/cm2 in the leakage current density). Meanwhile, the doping of Sm2O3 reduces the donor concentration (the range of 2.73 × 1018 to 1.18 × 1018 cm-3) of bulk grain and increases the barrier height (the range of 1.10 to 1.49 eV) at the grain boundary. The density of the interface states decreases in the range of of 5.31 × 1012 to 4.08 × 1012 cm-2 with the increase of doping content of Sm2O3. The dielectric constant decreases from 1594.8 to 507.5 with the increase of doping content of Sm2O3.
The co-doping effect of aliovalent metal ions such as Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+, and Zn2+ on the photoluminescence of the Y2O3:Eu3+ red phosphor, prepared by spray pyrolysis, is analyzed. Mg2+ metal doping is found to be helpful for enhancing the luminescence of Y2O3:Eu3+. When comparing the luminescence intensity at the optimum doping level of each Mg2+ ion, the emission enhancement shows the order of Zn2+ ≈ Ba2+ > Ca2+ > Sr3+ > Mg2+. The highest emission occurs when doping approximately 1.3% Zn2+, which is approximately 127% of the luminescence intensity of pure Y2O3:Eu3+. The highest emission was about 127% of the luminescence intensity of pure Y2O3:Eu3+ when doping about 1.3% Zn2+. It is determined that the reason (Y, M)2O3:Eu3+ has improved luminescence compared to that of Y2O3:Eu3+ is because the crystallinity of the matrix is improved and the non-luminous defects are reduced, even though local lattice strain is formed by the doping of aliovalent metal. Further improvement of the luminescence is achieved while reducing the particle size by using Li2CO3 as a flux with organic additives.
A high NIR-reflective black pigment is developed by Mn doping of Fe2O3. The pigment powders are prepared by spray pyrolysis, and the effect of the Mn concentration on the blackness and optical properties is investigated. Mn doping into the crystal lattice of α-Fe2O3 is found to effectively change the powder color from red to black, lowering the NIR reflectance compared to that of pure Fe2O3. The pigment doped with 10% Mn, i.e., Fe1.8Mn0.2O3, exhibits a black color with an optical bandgap of 1.3 eV and a Chroma value of 1.14. The NIR reflectance of the prepared Fe1.8Mn0.2O3 black pigment is 2.2 times higher than that of commercially available carbon black, and this material is proven to effectively work as a cool pigment in a temperature rise experiment under near-infrared illumination.
Kim, Gyeong-Jung;Park, Jae-Hui;Hong, Seung-Hwi;Choe, Seok-Ho;Hwang, Hye-Hyeon;Jang, Jong-Sik
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2012.02a
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pp.207-207
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2012
Si quantum dot (QD) imbedded in a $SiO_2$ matrix is a promising material for the next generation optoelectronic devices, such as solar cells and light emission diodes (LEDs). However, low conductivity of the Si quantum dot layer is a great hindrance for the performance of the Si QD-based optoelectronic devices. The effective doping of the Si QDs by semiconducting elements is one of the most important factors for the improvement of conductivity. High dielectric constant of the matrix material $SiO_2$ is an additional source of the low conductivity. Active doping of B was observed in nanometer silicon layers confined in $SiO_2$ layers by secondary ion mass spectrometry (SIMS) depth profiling analysis and confirmed by Hall effect measurements. The uniformly distributed boron atoms in the B-doped silicon layers of $[SiO_2(8nm)/B-doped\;Si(10nm)]_5$ films turned out to be segregated into the $Si/SiO_2$ interfaces and the Si bulk, forming a distinct bimodal distribution by annealing at high temperature. B atoms in the Si layers were found to preferentially substitute inactive three-fold Si atoms in the grain boundaries and then substitute the four-fold Si atoms to achieve electrically active doping. As a result, active doping of B is initiated at high doping concentrations above $1.1{\times}10^{20}atoms/cm^3$ and high active doping of $3{\times}10^{20}atoms/cm^3$ could be achieved. The active doping in ultra-thin Si layers were implemented to silicon quantum dots (QDs) to realize a Si QD solar cell. A high energy conversion efficiency of 13.4% was realized from a p-type Si QD solar cell with B concentration of $4{\times}1^{20}atoms/cm^3$. We will present the diffusion behaviors of the various dopants in silicon nanostructures and the performance of the Si quantum dot solar cell with the optimized structures.
Transactions on Electrical and Electronic Materials
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v.8
no.6
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pp.234-240
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2007
The electrical properties and dc aging behavior for specified stress state of system, which is composed of quaternary Zn-Pr-Co-Cr, were investigated for different $Dy_2O_3$ addition doping level. As $Dy_2O_3$ doping level increased, the density decreased in the range of 5.51-4.90 $g/cm^3$, reaching maximum at 0.5 mol% and the average ZnO grain size decreased in the range of 17.7-6.0 ${\mu}m$. The incorporation of $Dy_2O_3$ significantly improved the non-ohmic properties, above 30 in non-ohmic coefficient, compared with that of undoped samples. The samples with the best performance of non-ohmic properties were obtained for $Dy_2O_3$ doping level of 1.0 mol%, with 49 in non-ohmic coefficient and 2.6 ${\mu}A/cm^2$ in leakage current. The samples with the highest stability were obtained for $Dy_2O_3$ doping level of 0.5 mol%.
KIEE International Transactions on Electrophysics and Applications
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v.3C
no.4
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pp.140-145
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2003
The influence of microstructure nonuniformity on the electrical characteristics of ZnO varistors was analyzed with the added amount of $Al_2$O$_3$ dopants. $Al_2$O$_3$ doping can effectively inhibit grain growth. When $Al_2$O$_3$ content is in the range between 0-0.1 %, the average grain size and the standard deviation decrease quickly and the grain growth is strongly inhibited. Therefore, it is possible to increase the microstructure uniformity by accurate addition of $Al_2$O$_3$ to the ZnO varistor. The breakdown voltage increases with the decrease of standard deviation. The greater the uniformity of the Zno varistor means the higher the global breakdown voltage. The $Al_2$O$_3$ dopants having about 0-0.023 wt% content can effectively improve the voltage ratio, and the voltage ratio reaches a minimum value of 2.32 at an $Al_2$O$_3$ content of 0.005 wt%.
The effects of co-doping with complex dopants of softeners, $La^{+3}$ and/or $Nb^{+5}$, and a hardener, $Fe^{+3}$, on the microstructural and piezoelectric properties of PZT ceramics with a composition of a rhombohedral-tetragonal morphotropic phase boundary, $PbZr_{0.53}Ti_{0.47}O_3$, were investigated. Unlike single-element doping, the complex doping of both the softener and hardener ions led to various compensation effects for the piezoelectric properties of the PZT ceramics. For 0.5 wt.% $La_2O_3$ softener and/or 0.5 wt.% $Nb_2O_5$ doped compositions, there were apparent hardener doping (compensation) effects for an addition of over 1.0 wt.% $Fe_2O_3$. For the $La_2O_3$ and/or $Nb_2O_5$ doped composition, the co-dopant $Fe_2O_3$ addition led to lower kp and $\varepsilon$r, and increased $Q_m$ values. The prepared PZT ceramics modified with complex soft dopants, $La^{+3}$ and $Nb^+$, as well as a hard dopant, $Fe^{+3}$, showed that the piezoelectric properties were stable with the compositional variations, which made it possible to establish piezoelectric performances with higher reliability and reproducibility. The most improved piezoelectric properties of enhanced $Q_m$ with $\varepsilon_r$ remaining higher $k_p$, were obtained in the PZT composition complexly doped with $La^{+3}$ and $Fe^{+3}$. From the results obtained in this study, the properties of compositionally modified PZT ceramics can also be tailored over a wider range by changing the dopant compositions to meet the specific requirements for underwater or other applications.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2001.11b
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pp.402-405
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2001
$(Ba_{0.6-x}Sr_{0.4}Ca_{x})TiO_{3}$ (x=0.10, 0.15, 0.20) ceramics were fabricated by the mixed-oxide method and their stuctural and dielectric properties were investigated with variation of composition ratio and an amount of $Al_{2}O_{3}$ (0.5, 1.0, 1.5. 2.0, 3.0 wt%) doping content. As a result of the X-ray diffraction BSCT specimens showed dense and homogeneous structure without presence of the second phase. The sintered density was decreased with increase an $Al_{2}O_{3}$ doping content. The Curie temperature and relative dielectric constant at room temperature were decreased with increasing an amount of $Al_{2}O_{3}$ doping content. The dielectric loss is minimum for BSCT doped with 1.5wt% $Al_{2}O_{3}$ content. The tunability was decreased with increasing an Ca content and is about 4.2% for BSCT(50/40/10) doped with 2.0wt% $Al_{2}O_{3}$ content.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2001.11a
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pp.402-405
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2001
(Ba$\_$0.6-x/Sr$\_$0.4/Ca$\_$x/)TiO$_3$(x=0.10, 0.15, 0.20) ceramics were fabricated by the mixed-oxide method and their structural and dielectric properties were investigated with variation of composition ratio and an amount of Al$_2$O$_3$(0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 3.0 wt%) doping content. As a result of the X-ray diffraction BSCT specimens showed dense and homogeneous structure without presence of the second phase. The sintered density was decreased with increase an Al$_2$O$_3$ doping content. The Curie temperature and relative dielectric constant at room temperature were decreased with increasing an amount of Al$_2$O$_3$ doping content. The dielectric loss is minimum for BSCT doped with 1.5wt% Al$_2$O$_3$ content. The tunability was decreased with increasing an Ca content and is about 4.2% for BSCT(50/40/10) doped with 2.0wt% Al$_2$O$_3$ content.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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