Behalve dat het een structureel keramiek is met uitstekende prestaties, is zirconia-keramiek ook een speciaal functioneel keramisch materiaal. Zirkonia heeft bijvoorbeeld unieke elektrische eigenschappen. Simpel gezegd, zirkoniumoxide heeft de kenmerken van isolatie bij lage temperaturen en geleidbaarheid bij hoge temperaturen. Een kenmerk maakt zirkoniumoxide tot een belangrijke toepassing in sensoren, solid-state batterijen, anorganische verwarmingselementen, enz.
● Elektrische eigenschappen van ZrO2
Of het nu pure ZrO2 of gedoteerde ZrO2 is, het zijn isolatoren bij kamertemperatuur, met een soortelijke weerstand groter dan 1010Ω·cm, maar hun geleidbaarheid bij hoge temperatuur is goed, met een negatieve temperatuurcoëfficiënt van weerstand, de soortelijke weerstand is 104Ω·cm bij 1000 ° C, 1700°C Als het slechts 6～7Ω·cm is.
Volgens eerste-principeberekeningen, in de elektronische structuur van ZrO2, zijn de elektronenorbitale energieniveaus van de valentieband en de geleidingsband verschillend in het aantal elektronenorbitalen, afhankelijk van de kristalstructuur. De valentieband van ZrO2 is de volledige band en de geleidingsband is ook gevuld met een bepaalde hoeveelheid elektronen. De isolatieprestaties van ZrO2 bij kamertemperatuur zijn voornamelijk te wijten aan de buitensporige bandbreedte tussen de valentieband en de geleidingsband, en het is onmogelijk om elektriciteit bij kamertemperatuur te geleiden. . Na doping kan een nieuw energieniveau (donorenergieniveau of acceptorenergieniveau) worden gevormd in de verboden band, waardoor de verboden bandbreedte wordt verkleind, maar er is nog steeds geen geleidbaarheid bij kamertemperatuur, voornamelijk door de ZrO2 bij kamertemperatuur temperatuur De elektronenmobiliteit is te laag. Daarom, of het nu gaat om zeer zuiver ZrO2 of gedoteerd ZrO2, vertonen beide hoge isolatie-eigenschappen bij kamertemperatuur.
Het belangrijkste geleidende mechanisme van ZrO2 komt van de gerichte migratie van zuurstofvacatures, en de geleidbaarheid neemt toe met de toename van de temperatuur en het partiële zuurstofdrukverschil. In een omgeving waar de temperatuur hoger is dan ongeveer 800 ° C, is de geleidbaarheid van ZrO2 aanzienlijk verbeterd en verandert de geleidbaarheid van Zr02 lineair met de temperatuur, dat wil zeggen, hoe hoger de temperatuur, hoe sterker de geleidbaarheid van ZrO2.
● Wordt de geleidbaarheid oneindig verbeterd?
zal niet! Een Duitse geleerde GuoX wees er in een recensie op dat de geleidende eigenschappen van ZrO2 verschillen van die van elektronische geleidbaarheid. Het ionengeleidende ZrO2-materiaal kan de maximale ionische geleidbaarheid bereiken onder de voorwaarde van een geschikte leegstandsconcentratie, die hoger is dan de optimale leegstand. Het toevoegen van meer vacatures op basis van de concentratie zal resulteren in een afname van de ionengeleiding. Daarom kan de geleidbaarheid van ZrO2 bij hoge temperaturen niet onbeperkt worden verhoogd. De afname van de ionengeleiding van nanogestructureerd ZrO2 wordt bijvoorbeeld voornamelijk veroorzaakt door de overmatige invloed van de interne interface, wat leidt tot een afname van de ionenmigratie. Omdat de ruimteladinglaag in het gestabiliseerde ZrO2 ongeveer 2,5 nm is, zal alleen wanneer de grootte van het nanodeeltje minder dan 5 nm is, de elektronenmigratie, veroorzaakt door het kwantumgrootte-effect, plaatsvinden. Uiteraard is deze situatie op grote schaal moeilijk te realiseren.
