Керамика из диоксида циркония является не только конструкционной керамикой с превосходными характеристиками, но и особым функциональным керамическим материалом. Например, диоксид циркония обладает уникальными электрическими свойствами. Проще говоря, диоксид циркония обладает характеристиками низкотемпературной изоляции и высокой теплопроводности. Одна особенность делает оксид циркония важным применением в датчиках, твердотельных батареях, неорганических нагревательных элементах и т. Д.
● Электрические свойства ZrO2
Будь то чистый ZrO2 или легированный ZrO2, они являются изоляторами при комнатной температуре с удельным сопротивлением более 1010 Ом · см, но их высокотемпературная проводимость хорошая, с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления удельное сопротивление составляет 104 Ом · см при 1000 °. C, 1700 ° C Когда оно составляет всего 6 ～ 7 Ом · см.
Согласно первопринципным расчетам, в электронной структуре ZrO2 уровни энергии электронных орбиталей валентной зоны и зоны проводимости различаются числом электронных орбиталей в зависимости от кристаллической структуры. Валентная зона ZrO2 является полной зоной, и зона проводимости также заполнена определенным количеством электронов. Изоляционные характеристики ZrO2 при комнатной температуре в основном обусловлены чрезмерной шириной полосы между валентной зоной и зоной проводимости, и невозможно проводить электричество при комнатной температуре. . После легирования в запрещенной зоне может образоваться новый энергетический уровень (уровень энергии донора или уровень энергии акцептора), так что ширина запрещенной зоны уменьшается, но проводимость все еще отсутствует при комнатной температуре, в основном из-за ZrO2 при комнатной температуре. температура Подвижность электронов слишком мала. Следовательно, будь то ZrO2 высокой чистоты или легированный ZrO2, оба демонстрируют высокие изоляционные свойства при комнатной температуре.
Основным проводящим механизмом ZrO2 является направленная миграция кислородных вакансий, и проводимость увеличивается с увеличением температуры и разницы парциальных давлений кислорода. В среде, где температура превышает примерно 800 ° C, проводимость ZrO2 значительно улучшается, а проводимость Zr02 изменяется линейно с температурой, то есть чем выше температура, тем сильнее проводимость ZrO2.
● Будет ли проводимость улучшаться бесконечно?
не буду! Немецкий ученый GuoX указал в обзоре, что проводящие свойства ZrO2 отличаются от свойств электронной проводимости. Ионпроводящий материал ZrO2 может обеспечить максимальную ионную проводимость при условии подходящей концентрации вакансий, которая выше, чем оптимальная вакансия. Добавление большего количества вакансий в зависимости от концентрации приведет к снижению ионной проводимости. Следовательно, проводимость ZrO2 при высоких температурах нельзя увеличивать бесконечно. Например, уменьшение ионной проводимости наноструктурированного ZrO2 в основном вызвано чрезмерным влиянием внутренней границы раздела, что приводит к уменьшению миграции ионов. Поскольку слой пространственного заряда в стабилизированном ZrO2 составляет около 2,5 нм, только тогда, когда размер наночастицы меньше 5 нм, будет происходить прямая миграция электронов, вызванная квантовым размерным эффектом. Очевидно, такой ситуации сложно добиться в больших масштабах.
