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Mesoscopic Modelling of Mechanically-Modulated Electrical Conductivity in Zinc Oxide Varistors

Taylor, Kyle Aaron (2020):
Mesoscopic Modelling of Mechanically-Modulated Electrical Conductivity in Zinc Oxide Varistors.
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.25534/tuprints-00012691,
[Ph.D. Thesis]

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Text
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Mesoscopic Modelling of Mechanically-Modulated Electrical Conductivity in Zinc Oxide Varistors
Language: English
Abstract:

An electromechanically-coupled model for the simulation of electric current flow in zinc oxide varistors is presented. The model is based on an equivalent circuit representation of the varistor microstructure, where the grain boundaries are modelled as non-linear resistors in the circuit. This approach extends previous circuit models by including the effect of mechanical stress on grain boundary conductivity. The three-dimensional mechanical stress distribution in the material is calculated by the finite element method (FEM). Using this distribution, the electrical resistance of each grain boundary is determined by applying a self-consistent model for the trapped interface charge induced by piezoelectric polarisation. Finally, the electric current flow patterns and the bulk conductivity of the material are computed using a non-linear circuit model.

The simulated IV-characteristics reveal a significant sensitivity of electrical conductivity to applied stress. For 2D and 3D ZnO varistor models, the simulations demonstrate the effect of current concentration along thin conducting paths, depending on microstructural properties and on the mechanical stress condition of the material. The effect of residual thermal stress in polycrystalline structures on the electrical conductivity is also considered. Just as in the case of applied stress, the electrical conductivity is highly sensitive to the accumulation of thermal stress within the material. Furthermore, the effect of the inverse piezoelectric effect is examined and accounted for in the computation of the macroscopic varistor characteristics.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Diese Arbeit stellt ein elektromechanisch gekoppeltes Modell für die Simulation des elektrischen Stromflusses in Zinkoxidvaristoren vor. Das Modell basiert auf einer Ersatzschaltbildrepräsentation der Varistormikrostruktur, in welcher die Korngrenzen als nichtlineare Widerstände modelliert werden. Diese Vorgehensweise baut auf existierenden Schaltkreismodellen auf und erweitert sie durch die Berücksichtigung des Einflusses der mechanischen Spannungen auf die elektrische Leitfähigkeit der Korngrenzen. Die dreidimensionale mechanische Spannungsverteilung im Material wird mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) berechnet. Anhand dieser Verteilung wird der elektrische Widerstand jeder Korngrenze bestimmt. Dies erfordert ein selbstkonsistentes Modell für die Grenzflächenladung, die durch piezoelektrische Polarisation induziert wird. Zum Schluss werden die Verteilung des elektrischen Stroms und Leitfähigkeit des gesamten Varistors mittels des nichtlinearen Schaltkreismodells berechnet. Die simulierten Stromspannungscharakteristiken zeigen deutlich, dass die elektrische Leitfähigkeit von ZnO Varistoren stark von der angewandten mechanischen Spannung abhängig ist. Die Simulationen stellen außerdem den Effekt der Stromkonzentration entlang dünner hochleitfähiger Pfade dar. Dieser Effekt hängt von den mikrostrukturellen Eigenschaften sowie vom mechanischen Spannungszustand des Materials ab. Zusätzlich wird der Effekt residualer thermomechanischer Spannungen in polykristallinen Mikrostrukturen berücksichtigt und der Einfluss solcher Spannungen auf die Leitfähigkeit wird charakterisiert. Weiterhin werden der inverse piezoelektrische Effekt auf Korngrenzen und seine Auswirkung auf die makroskopische elektrische Charakteristik in der Arbeit untersucht.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Accelerator Science and Electromagnetic Fields > Electromagnetic Field Theory (until 31.12.2018 Computational Electromagnetics Laboratory)
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Accelerator Science and Electromagnetic Fields
Date Deposited: 29 Jul 2020 08:33
Last Modified: 29 Jul 2020 09:59
DOI: 10.25534/tuprints-00012691
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-126910
Referees: Gjonaj, PD Dr. Erion and De Gersem, Prof. Dr. Herbert and Rödel, Prof. Dr. Jürgen
Refereed: 15 June 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/12691
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