金屬摻雜AgSnO2觸頭材料的仿真與實驗

張 穎 王景芹 康慧玲 胡德霖

金屬摻雜AgSnO2觸頭材料的仿真與實驗

張 穎1王景芹1康慧玲1胡德霖2

（1. 省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室（河北工業大學） 天津 300130 2. 蘇州電器科學研究院股份有限公司 蘇州 215104）

一直以來摻雜改善AgSnO2觸頭材料的電性能大多采用“試錯”的方法進行實驗研究，因此尋求有效的理論支撐具有非常重要的研究意義和應用價值。該文基于密度泛函理論的第一性原理，構建三種金屬元素（Sr、Ga、Co）摻雜SnO2的晶胞模型，仿真研究摻雜后SnO2的穩定性與相對電導率，得到最佳的摻雜元素Co。通過實驗進行驗證，首先采用溶膠凝膠法制備摻雜的SnO2粉末，X射線衍射（XRD）驗證了溶膠凝膠法能夠實現仿真計算建立的置換摻雜模型，再利用粉末冶金法制備摻雜的AgSnO2電觸頭材料，經電性能測試驗證了仿真結果的正確性。為篩選摻雜元素改善AgSnO2觸頭材料性能提供了理論依據。

第一性原理 金屬摻雜 AgSnO2觸頭材料 電性能

0 引言

電觸頭作為低壓開關的核心部件起著電流接通和分斷的作用，電接觸材料影響著開關電器的可靠性和使用壽命[1-2]。因此，研究電觸頭材料具有重要的意義。

2003年，歐盟RoHS指令要求從2006年7月起禁止在電氣設備中使用包括Cd在內的六種有害物質。雖然RoHS指令的附件中豁免了電觸頭中Cd及其化合物的使用。但2019年歐盟對RoHS指令又進行了修改，規定在大部分應用設備中電觸頭中的Cd及其化合物的使用可豁免至2021年7月21日，少量特殊應用設備最晚可豁免至2024年7月21日[3-4]。與此同時，我國于2016年7月1日起實施《電器電子產品有害物質限制使用管理辦法》，這就急切地要求尋找能替代曾被稱為“萬能觸頭”的AgCdO的觸頭材料。

經過長期的研究發現，AgSnO2觸頭材料是一種性能可以和AgCdO相媲美且最有希望取代AgCdO的環保型觸頭材料[5-7]。AgSnO2是目前研究最深入、應用最廣泛的中低壓開關電器用電接觸材料[8]。但在應用中發現，AgSnO2觸頭材料的導電性在相同條件下比AgCdO差，這是因為SnO2是一種近乎絕緣的寬禁帶半導體材料，造成AgSnO2觸頭材料在使用過程中的接觸電阻增大、溫升較高，致使觸頭的可靠性降低、電壽命縮短，嚴重降低了AgSnO2觸頭的電氣性能[9-10]。

通過摻雜改善AgSnO2觸頭材料的電性能一直以來是國內外重要的研究方向。文獻[11-12]采用實驗的方法研究了Bi摻雜對銀氧化錫觸頭材料電性能的影響。文獻[13-14]采用溶膠-凝膠化學鍍法制備了摻雜Ce的AgSnO2觸頭材料，液相原位化學法和粉末冶金法制備了摻雜Ti的AgSnO2觸頭材料。文獻[15]介紹了添加物（WO3, MoO2, Bi2O3, CuO, RuO2, ZnO, Ta2O3, HgO, RuO2, Sb2O3, TeO2, TaC）對AgSnO2觸頭材料電性能的影響。文獻[16]采用自組裝沉淀法制備了Zr和Fe摻雜的AgSnO2。通過以上實驗結果表明，摻雜可以改善AgSnO2觸頭材料的電性能。但是，采用實驗的方法研究摻雜改善AgSnO2觸頭材料電氣性能，摻雜元素的種類和摻雜比例依靠“試錯”的方法進行，勢必會造成人力、物力和財力的極大浪費，致使投資大、效益低；而且制備摻雜的銀氧化錫觸頭材料的實驗方法也不盡相同，如此得出的結論對于通過對比進行篩選得到最佳電氣性能的摻雜元素和比例具有很大的局限性。因此，目前摻雜改善AgSnO2觸頭材料電性能的研究急需尋求有效的理論支撐。

本文提出基于密度泛函理論（Density Functional Theory, DFT）的第一性原理方法對AgSnO2觸頭材料電性能進行仿真計算。此方法可以仿真計算具有周期性結構體系、不依賴于任何經驗參數即可解析得到體系的基態電子結構和性質[17]。根據計算結果即可分析不同元素、不同比例摻雜后觸頭材料的電性能的優良程度。

根據文獻[11-16]可知，金屬摻雜可以有效改善觸頭材料的性能，故本文仿真計算分別選擇了三種金屬元素（Sr、Ga、Co）摻雜SnO2，以期通過計算與分析它們的電性能來找到最佳的摻雜元素。

首先進行了不同比例（16.7%、12.5%、8.34%、6.25%）不同摻雜元素（Sr、Ga、Co）的計算，得到Sr摻雜AgSnO2接觸材料的最佳比例為6.25%，Ga和Co的最佳摻雜比例分別為8.34%和6.25%[18]。所以本文在三種金屬元素（Sr、Ga、Co）摻雜SnO2的最佳比例的前提下，篩選得到AgSnO2觸頭材料電性能優良的摻雜元素。

1 第一性原理計算的模型與方法

1.1 仿真計算模型

從仿真軟件的結構庫中直接導入SnO2晶胞結構[19]。圖1為晶胞模型。SnO2晶胞包含2個Sn原子和4個O原子，Sn原子分別位于體心和頂角，O原子分別位于體面和體內，如圖1a所示。選擇置換摻雜的方式，將晶胞中的一個Sn原子替換成為摻雜原子，構建不同的超晶胞模型來控制摻雜比例。6.25%原子摻雜比例通過建立2×2×2的SnO2超晶胞得到，8.34%原子摻雜比例通過建立1×2×3的SnO2超晶胞得到。

圖1 晶胞模型

1.2 計算方法

采用材料仿真軟件中的CASTEP模塊進行基于密度泛函理論的第一性原理計算，此仿真廣泛地應用于計算陶瓷、半導體和金屬等具有周期性結構材料的研究[20-21]。選擇超軟贗勢（ultra-soft pseudo potential）描述價電子和離子實之間的相互作用；交換-關聯能采用廣義梯度近似（Generalized Gradient Approximation, GGA）下的PBE泛函進行處理，采用BFGS（broyden flecher goldfarb shanno）算法對三種金屬元素（Sr、Ga、Co）摻雜SnO2的晶胞模型進行仿真計算[22-23]。

2 仿真結果與穩定性和導電性分析

首先對圖1中的超晶胞模型進行優化，找到晶體結構的最穩定點，再進行能量計算得到三種元素（Sr、Ga、Co）摻雜SnO2的形成焓、能帶結構和態密度，分析不同金屬元素摻雜SnO2的穩定性和導電性。

2.1 晶體結構和穩定性分析

SnO2和三種金屬元素（Sr、Ga、Co）摻雜SnO2的晶胞優化后的晶格常數、體積以及形成焓，見表1。

表1 不同摻雜體系的晶格常數、體積和形成焓

Tab.1 Lattice constant, volume and enthalpy of formation

注：1?=10-10m。

形成焓是不同類原子從其單質狀態生成化合物所釋放或吸收的能量，它表示化合物生成的難易程度[24]，有

當形成焓為負值時，其絕對值越大，表示此材料越穩定。從表1中可以看到，最穩定的是Co摻雜的SnO2晶胞模型。

三種金屬摻雜SnO2晶胞之后，晶格常數與體積均有不同程度的增大，這是由于摻雜原子在替換到SnO2晶格后，其性質和被替換Sn原子的性質不同，會使原有的原子排列規則發生變化，進而導致晶格畸變，晶胞體積膨脹。

2.2 能帶結構分析

SnO2以及三種金屬Sr（6.25%）、Ga（8.34%）、Co（6.25%）摻雜SnO2的能帶圖如圖2所示。0eV為費米能級見虛線，費米能級以上為導帶，費米能級以下為價帶。

通過仿真計算得到SnO2的帶隙值為1.003eV，與文獻[25-26]計算得到的帶隙結果接近，表明仿真計算選用參數的合理性。但是仿真計算得到的帶隙值小于SnO2的實驗值3.6eV，這主要是由于第一性原理計算所采用的廣義梯度近似方法在計算過程中會過高地估計Sn原子的能量，造成Sn的5s態與O的2p態之間的雜化作用增強，使價帶變寬，從而導致計算得到的能隙值相比實驗值偏小。然而，仿真計算的方法和參數設置一致，且本文關注的重點在于對摻雜前后SnO2能帶變化趨勢的分析，此誤差不會影響摻雜前后SnO2能帶結果的分析。

分析圖2可知，摻雜后的導帶和價帶能級均變得密集且平緩，并向費米能級處聚集，局域性增強。在價帶頂附近的能級曲線變得非常平緩幾乎變成直線，這對于自由電子的躍遷十分有利，因此，導電性增強了。摻雜引入了受主能級，增大了載流子濃度，受主雜質能級中空穴之間的相互排斥作用會使載流子匯聚于價帶頂附近，同時也為載流子的躍遷提供了媒介，減小了其躍遷所需要的能量，進而提高了SnO2的導電性能。在這三種金屬摻雜的SnO2中，Co摻雜后的導帶部分向費米能級處靠近的程度更大。

2.3 態密度分析

態密度是能帶圖的可視化結果，從態密度可以看出各個原子對能帶的貢獻程度并反映晶胞內摻雜原子與其他原子的相互作用，還可以得到在不同能量值時電子的分布規律[27]。

總態密度（Total Density of States, TDOS）表示體系中所有電子的能量分布狀態。分波態密度表示不同軌道電子的成鍵情況。SnO2以及三種金屬Sr（6.25%）、Ga（8.34%）、Co（6.25%）摻雜SnO2的態密度圖如圖3所示。

由圖3可知，相比于SnO2的態密度，摻雜后O的2p電子態在費米能級附近的作用程度變大。

Sr元素摻雜后，由能帶圖和態密度圖中可看到，在價帶能級（-15～-10eV）及（-35～-30eV）區域均出現了新的、較窄的雜質能級帶，通過分波態密度圖發現，這分別是Sr的4p和4s電子態的作用，使得價帶展寬，但由于遠離費米能級，對材料的性能影響不大，可忽略不計。Sr的3d電子態與O的2p電子態共同作用于費米能級處，使得價帶頂穿過費米能級進入導帶中，且Sr的3d電子態與O的2p電子態及少量Sn的5p電子態在費米能級附近形成了雜化軌道，使得費米能級附近的載流子數增加。Sr的3d電子態及Sn的5s、5p電子態共同作用于導帶區域，使得導帶向費米能級方向移動的程度增加。總的來說，在Sr元素摻雜后，Sr的3d電子態作用于費米能級附近，導電性得到提高。

Ga元素摻雜后，從總態密度圖可以看出，與未摻雜SnO2相比，Ga摻雜體系總態密度峰值增加，局域性增強，結合分態密度可以看出，在遠離費米能級的（-15～-10eV）區域出現的新能級主要由Ga的4p電子態貢獻。在費米能級附近的價帶區域，Ga的4s及微量3d電子態與O的2p電子態發生了雜化，載流子數增加，Ga摻雜體系的電性能相對未摻雜得到改善。

Co元素摻雜后，Sn的5s和5p電子態在導帶部分的作用區域重疊，作用程度增強，使得導帶向低能級移動程度相對較大。因為在絕對溫度零度時，電子會將費米能級以下所有的能級填滿，費米面會將占據態與未占據態分隔開來，只有費米能級附近的電子才有可能發生躍遷，因此金屬材料的電學性質主要由費米能級附近的電子態確定。Co元素摻雜后，在費米能級附近能明顯看到3d軌道的貢獻，這對提高它的導電性起到了重要的作用。

通過以上能帶圖和態密度圖分析可得，以上三種金屬（Sr、Ga、Co）的摻雜能夠改善SnO2的導電性。

2.4 導電性分析

為了進一步比較三種摻雜元素的導電性，根據半導體物理學理論，材料的導電性可以通過電導率i來表征[28]，有

式中，i為電子濃度；為電子電荷常量；i為電子遷移率。

電子有效質量為

式中，為普朗克常數；為波矢；為波矢處的電子能量。所以電導率與摻雜濃度、電子有效質量成反比，與電子濃度成正比，有

根據本文建模的實際情況，若篩選得到三種金屬元素（Sr、Ga、Co）摻雜SnO2材料的最佳電導率，只需對它們進行對比，得到相對電導率即可。將Co摻雜SnO2材料的電導率Co作為基準進行比較，有

電子濃度可以通過Origin軟件對態密度進行積分得到，電子有效質量可以通過對能帶圖進行2次求導得到，計算得到的相對電導率見表2。

表2 相對電導率

Tab.2 Relative conductivity

由表2可得出，Co摻雜SnO2的電性能最佳，其次是Sr摻雜。

3 實驗驗證

3.1 溶膠凝膠法制備摻雜的SnO2粉末

傳統的粉末冶金制備方法只是單純地將銀粉和摻雜氧化物以及氧化錫粉末機械混合，但是這樣制備的觸頭材料卻不能與本文原子置換的仿真模型對應，因此，本文采用溶膠凝膠的制備方法得到Sr、Ga、Co摻雜SnO2的固溶體。

實驗所需要使用試劑的原子比和質量比見表3。

表3 原子比和質量比

Tab.3 Atomic ratio and mass ratio

3.2 XRD結果分析

為了驗證溶膠凝膠制備的摻雜的SnO2與仿真建立的置換晶胞模型相對應，使用X射線衍射儀對粉末進行物相結構分析，摻雜結構以Co摻雜的SnO2粉末為例。衍射儀波長為0.154 05nm，掃描范圍10°～90°，掃描速度為12°/min。

未摻雜的SnO2和Co摻雜SnO2的X射線衍射（X-Ray Diffractometor, XRD）如圖4所示。從圖中可以看出，金屬Co摻雜SnO2的衍射峰的峰位與SnO2的峰位基本一致，說明摻雜以后沒有改變SnO2的晶體結構，也沒有產生新的物相，即摻雜元素在采用溶膠-凝膠制備工藝過程中實現了置換固溶體，與仿真建立的模型相對應。

圖4 X射線衍射圖

3.3 粉末冶金法制備摻雜的AgSnO2觸頭材料

通過將溶膠-凝膠法、高能球磨工藝和粉末冶金工藝結合可制備組織和成分分布均勻的摻雜的AgSnO2粉末，克服了粉末冶金法存在混合不均勻以及粉末團聚等缺陷。

3.4 電導率的測量

采用金屬電導率測試儀測量觸頭材料的電導率。金屬電導率測試儀以電磁感應原理為依據，間接評定金屬材料的導電性，測量頻率選為60kHz，測試時采用手持式渦流非鐵金屬電導率測試儀的測量探頭ES40，把探頭放到被測金屬表面進行直接測試，數據處理采用單片機，因此能夠測出較精確的數據。且配有20℃電導率值自動歸準溫度補償裝置，使測試的環境更穩定。每個試樣均進行5次測定，并求其平均值。

AgSnO2和金屬Sr、Co、Ga摻雜AgSnO2觸頭的電導率見表4。由表4可知，Co摻雜AgSnO2觸頭材料的電導率最好，其次為Sr摻雜。這與仿真計算得到的電導率結果吻合。

表4 電導率

Tab.4 Conductivity

3.5 燃弧能量以及接觸電阻的測試與分析

本文采用JF04C型電接觸觸頭測試系統進行電接觸模擬實驗。測試系統的開機保護設為±40V，實驗電流為DC 13A，電壓為DC 24V，觸頭間的距離為10mm，接觸壓力設為0.86N，由于本文進行的是電接觸模擬實驗，采用的實驗電壓和電流均是直流，不存在過零點，因此電弧不會因為過零點而間斷地減小或熄滅。本測試系統未配置滅弧裝置，觸頭材料的電弧侵蝕比較嚴重，綜合考慮電接觸的實驗次數設為25 000次。

通過實驗得到燃弧能量、平均燃弧能量、接觸電阻以及平均接觸電阻見表5。由表5可知，與未摻雜的AgSnO2觸頭材料相比，摻雜后觸頭材料的平均接觸電阻與平均燃弧能量均減小；從最大值和最小值來看，燃弧能量與接觸電阻也均變小。這是由于摻雜的SnO2具有良好的熱穩定性，可以使摻雜的SnO2在由電弧作用所形成的熔融金屬液池中保持懸浮狀態，有效抑制了摻雜的SnO2在觸頭表面匯聚，當電弧熄滅熔融金屬液池迅速凝固時，摻雜的SnO2仍可以在Ag基體處均勻分布，進而保證了觸頭材料的電接觸特性不會惡化，增強了其耐電弧侵蝕性能。

表5 燃弧能量和接觸電阻

Tab.5 Arc energy and contact resistance

表中，以Co摻雜的AgSnO2觸頭材料減小的更明顯，說明其電性能更好。

3.6 材料損耗的測量與分析

在25 000次實驗之后，電觸頭表面會因為電弧侵蝕發生蒸發、飛濺等現象，導致電觸頭的破壞和電觸頭材料的損耗。材料的損耗特性是衡量其使用壽命的重要指標。

電接觸實驗后，AgSnO2以及Sr、Ga、Co摻雜AgSnO2觸頭的陰、陽極觸頭材料質量的變化量和觸頭質量損失量見表6。

觸頭材料的熱穩定性越好，在承受電弧的作用時越不易分解，經過多次實驗之后，觸頭材料的損失量會越小。

由表6可知，摻雜的AgSnO2陰、陽極觸頭質量的變化量減小，其中，Co摻雜AgSnO2觸頭的質量變化量最小；而且觸頭質量損失量的大小與仿真分析摻雜以后SnO2的穩定性結果是一致的。

表6 材料轉移量

Tab.6 Material transfer

3.7 觸頭表面的微觀形貌與分析

在電接觸實驗之后，使用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscopy, SEM）觀察電弧侵蝕后不同元素摻雜AgSnO2觸頭材料的表面形貌，微觀形貌如圖5所示。

圖5 微觀形貌

從圖5中未摻雜AgSnO2的表面形貌可以看出，觸頭表面有孔洞和燒蝕坑，使得AgSnO2觸頭材料表面粗糙。摻雜后觸頭表面無大面積燒蝕坑，表面較AgSnO2平整，說明摻雜可以分散在電弧作用下SnO2在銀基體中的匯集，避免重新凝固成SnO2聚集體。其中，Co摻雜AgSnO2觸頭材料的侵蝕表面狀況最為平整，其次是Sr摻雜AgSnO2觸頭材料。這是由于Co摻雜后的觸頭具有低而穩定的接觸電阻、燃弧能量小、穩定性好。這與仿真分析得到電性能好壞的結果一致。

4 結論

本文采用第一性原理對三種金屬（Sr、Ga、Co）摻雜SnO2的超晶胞模型進行仿真計算，得到形成焓、能帶圖和態密度圖。最后通過溶膠-凝膠法、高能球磨工藝和粉末冶金工藝制備了Sr、Ga和Co摻雜的AgSnO2觸頭材料。

1）通過仿真分析得到摻雜以后材料的穩定性增強，其中，最好的是Co摻雜的SnO2，其次是Ga摻雜。通過Origin軟件對仿真得到的能帶圖進行二次積分，對態密度圖進行求導，得到Co摻雜SnO2的電導率最大。

2）通過實驗分析得到摻雜后AgSnO2觸頭材料的電導率增大；接觸電阻、燃弧能量和材料損耗減小。其中，Co摻雜AgSnO2觸頭材料電導率最大；接觸電阻、燃弧能量的平均值與最大值、最小值均最小；材料損耗也最小；電接觸實驗后的微觀形貌圖最為平整。即Co摻雜AgSnO2觸頭材料穩定性和電性能最好。

3）仿真計算篩選得到Co元素摻雜后的觸頭材料電性能最好，最后通過實驗驗證了仿真結論的正確性。

本文通過仿真篩選改善AgSnO2觸頭材料電性能的摻雜元素，大大減小了通過“試錯”實驗篩選方法帶來的人力、物力、財力的浪費，為開發綠色環保、性能優良的AgSnO2觸頭材料提供了一種行之有效的方法。

[1] 付饒, 梁慧敏, 葉雪榮, 等. 接觸器觸點超程分析及其退化狀態的診斷[J]. 電工技術學報, 2020, 35(1): 125-133.

Fu Rao, Liang Huimin, Ye Xuerong, et al. Analysis of the contact overtravel of contactor and its degradation state evaluation[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2020, 35(1): 125-133.

[2] Zhang Xu, Ren Wanbin, Zheng Zhe, et al. Effect of electrical load on contact welding failure of silver tin oxide material used in DC electromechanical relays[J]. IEEE Access, 2019, 7: 133079-133089.

[3] George E, Pecht M. RoHS compliance in safety and reliability critical electronics[J]. Microelectronics Reliability, 2016, 65(1): 1-7.

[4] Lee H S, Shin H W, Jung T K, et al. Microstructure and hardness property of internally oxided AgCdO alloy[J]. Applied Mechanics and Materials, 2012, 152(1): 440-443.

[5] Hetzmannseder E, Rieder W. The influence of bounce parameters on the make erosion of silver metal-oxide contact materials[J]. IEEE Transactions on Com- ponents Packaging and Manufacturing Technology, 1994, 17(1): 11-18.

[6] 丁健翔, 孫正明, 張培根, 等. Ag基觸頭材料的研究現狀與展望[J]. 材料導報, 2018, 32(1): 58-66.

Ding Jianxiang, Sun Zhengming, Zhang Peigen, et al. Current research status and outlook of Ag-based contact materials[J]. Materials Review, 2018, 32(1): 58-66.

[7] 蔡亞楠. 稀土元素摻雜AgSnO2觸頭材料的計算與研究[D]. 天津: 河北工業大學, 2017.

[8] 李恒. 我國電觸頭材料發展歷程及未來趨勢[J]. 電器與能效管理技術, 2019(15): 49-54.

Li Heng. Development history and future trend of electrical contact materials of China[J]. Electrical Appliances and Energy Efficiency Management Technology, 2019(15): 49-54.

[9] 鄭忠. AgSnO2NiO電觸頭材料的組織與性能研究[D]. 昆明: 昆明理工大學, 2017.

[10] 付翀, 姜鳳陽, 王俊勃, 等. La摻雜對AgSnO2電接觸合金陰極侵蝕區成分的影響[J]. 電工技術學報, 2010, 25(5): 44-53.

Fu Chong, Jiang Fengyang, Wang Junbo, et al. Effect of La doping on arc erosion products of nanocom- posite AgSnO2contact alloys[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2010, 25(5): 44-53.

[11] 王海濤, 王景芹, 朱艷彩. Bi對AgSnO2觸頭材料接觸電阻的影響[J]. 電工技術學報, 2014, 29(5): 265-270.

Wang Haitao, Wang Jingqin, Zhu Yancai. Influence of Bi to AgSnO2material’s contact resistance[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(5): 265-270.

[12] 王景芹, 朱艷彩, 王海濤, 等. 添加物Bi對AgSnO2觸頭材料的影響[J]. 電工技術學報, 2011, 26(1): 29-33.

Wang Jingqin, Zhu Yancai, Wang Haitao, et al. Impact of additives Bi on AgSnO2contact material[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2011, 26(1): 29-33.

[13] Zhu Yancai, Wang Jingqin, An Liqiang, et al. Preparation of new Ag/SnO2/CeO2electrical contact material and study on its electrical properties[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2015, 44(8): 2011- 2014.

[14] Zhu Yancai, Wang Jingqin, An Liqiang, et al. Pre- paration and study of Nano-Ag/SnO2electrical contact material doped with titanium element[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2014, 43(7): 1566- 1570.

[15] Cinaroglu H, Behrens V, Honig T. Application of a new AgSnO2contact material in AC-contactors[C]// Proceeding of the 63rd IEEE Holm Conference on Electrical Contacts, Denver, Colorado, 2017: 215-220.

[16] Li Guijing, Fang Xueqian, Feng Wenjie, et al. In situ formation and doping of Ag/SnO2electrical contact materials[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2017, 716(5): 106-111.

[17] Wang Jingliang, Masato E, Shang Chengjia. First- principles study on the interfacial segregation at coherent Cu precipitate/Fe matrix interface[J]. Scripta Materialia, 2020, 185: 42-46.

[18] Wang Jingqin, Kang Huiling, Zhang Ying. Calcu- lation and study on elastic constants and electrical properties of Sr doped AgSnO2contact materials with different concentrations[J]. Science of Advanced Materials, 2019, 11(11): 1537-1546.

[19] Togo A, Tanaka I. First principles phonon calcu- lations in materials science[J]. Scripta Materialia, 2015, 108: 1-5.

[20] Wang Weidong, Yang Chenguang, Bai Liwen, et al. First-principles study on the structural and electronic properties of monolayer MoS2with S-vacancy under uniaxial tensile strain[J]. Nanomaterials, 2018, 8(2): 1-11.

[21] 程麗, 王德興, 張楊, 等. Cu-O共摻雜AlN晶體電子結構與光學性質研究[J]. 物理學報, 2018, 67(4): 210-217.

Cheng Li, Wang Dexing, Zhang Yang, et al. Elec- tronic structure and optical properties of Cu-O co- doped AlN[J]. Acta Physica Sinica, 2018, 67(4): 210-217.

[22] Zhao Yaru, Zhang Hairong, Zhang Gangtai, et al. First-principles investigation on elastic and thermody- namic properties of Pnnm-CN under high pressure[J]. Aip Advances, 2016, 6(12): 1-11.

[23] Hu Meng, Chen Zhiqian, Li Chunmei, et al. Elasticity, hardness and anisotropies of bc-BnCN (=1, 2, 4)[J]. Scientia Sinica, 2016, 46(6): 1-13.

[24] Wen Zhiqin, Zhao Yuhong, Hou Hua, et al. First- principles study of Ni-Al intermetallic compounds under various temperature and pressure[J]. Super- lattices & Microstructures, 2017, 103: 9-18.

[25] 梁景南, 符春林, 蔡葦, 等. 銦摻雜二氧化錫透明導電性的第一性原理研究[J]. 稀有材料與工程, 2012, 41(2): 197-200.

Liang Jingnan, Fu Chunlin, Cai Wei, et al. First- principle of transmissivity and conductivity of tin oxide doped with indium[J]. Rare Materials and Engineering, 2012, 41(2): 197-200.

[26] 王喆, 黃寶君, 王培吉. Co、Mn共摻雜SnO2超晶格的電子結構和光學性質[J]. 功能材料, 2014, 45(24): 24025-24029.

Wang Zhe, Huang Baojun, Wang Peiji. Electronic structures and optical properties analysis on Co Mn- codoped SnO2superlattice[J]. Functional Materials, 2014, 45(24): 24025-24029.

[27] Li Xia, Deng Rui, Li Yongfeng, et al. Effect of Mg doping on optical and electrical properties of SnO2thin films: an experiment and first-principles study[J]. Ceramics International, 2016, 42(4): 5299-5303.

[28] 王永貞, 徐朝鵬, 張文秀, 等. Ge摻雜對InI導電性能影響的第一性原理研究[J]. 物理學報, 2014, 63(23): 261-266.

Wang Yongzhen, Xu Chaopeng, Zhang Wenxiu, et al. First-principles study on the effect of Ge-doping on the conductivity of InI[J]. Acta Physica Sinica, 2014, 63(23): 261-266.

[29] 高興婷. SnO2: F和TiO2: Nb薄膜制備、結構與性能研究[D]. 吉林: 吉林大學, 2017.

[30] Liu Kewei, Yu Jie, Liu Linjing, et al. Precipitated process for nano-Ag/A12O3powder by sol-gel and reaction synthesis[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2016, 45(1): 168-170.

Simulation and Experiment of Metal-Doped AgSnO2Contact Material

1112

（1. State Key Laboratory of Reliability and Intelligence of Electrical Equipment Hebei University of Technology Tianjin 300130 China 2. Suzhou Electrical Apparatus Science Academy Co. Ltd Suzhou 215104 China）

Doping to improve the electrical properties of AgSnO2contact materials has always adopted the trial and error method for experimental research.Therefore, it is of great significance and application value to seek effective theoretical method. In this paper, based on the first-principles of density functional theory, the SnO2model doped with three metal elements (Sr, Ga, Co) was constructed. The stability and relative conductivity of doped SnO2were studied by simulation, and the best doping element Co was obtained. After that, it was verified through experiments. First, the sol-gel method was used to prepare the doped SnO2powder, and the XRD verified that the sol-gel method could realize the atomic replacement of model established by the simulation. Then, the doped SnO2powder was prepared by the powder metallurgy method. The electrical properties were measured to verify the correctness of the simulation. It provides a theoretical basis for screening elements to improve the performance of AgSnO2contact materials.

First-principles, metal-doped, AgSnO2contact materials, electrical properties

TM501

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200900

國家自然科學基金資助項目（51777057）。

2020-07-20

2020-09-09

張 穎 女，1993年生，博士，研究方向為電器可靠性理論與測試技術。E-mail: 13512474229@163.com

王景芹 女，1964年生，教授，博士生導師，研究方向為電器可靠性理論與測試技術。E-mail: jqwang@hebut.edu.cn（通信作者）

（編輯 崔文靜）