Kromě toho, že jde o strukturální keramiku s vynikajícím výkonem, je zirkoniová keramika také speciálním funkčním keramickým materiálem. Například zirkon má jedinečné elektrické vlastnosti. Jednoduše řečeno, zirkony mají vlastnosti nízkoteplotní izolace a vysoké teplotní vodivosti. Díky jedné charakteristice je oxid zirkoničitý důležitou aplikací v senzorech, polovodičových bateriích, anorganických topných článcích atd.
● Elektrické vlastnosti ZrO2
Ať už je to čistý ZrO2 nebo dopovaný ZrO2, jsou to izolátory při pokojové teplotě, s měrným odporem větším než 1010Ω · cm, ale jejich vysoká teplotní vodivost je dobrá, s negativním teplotním součinitelem odporu, odpor je 104Ω · cm při 1000 ° C, 1700 ° C Když je to jen 6 × 7Ω · cm.
Podle výpočtů prvního principu jsou v elektronické struktuře ZrO2 úrovně elektronové orbitální energie valenčního pásma a vodivého pásma různé v počtu elektronových orbitálů v závislosti na krystalové struktuře. Valenční pásmo ZrO2 je plné pásmo a vodivé pásmo je také vyplněno určitým množstvím elektronů. Izolační výkon ZrO2 při pokojové teplotě je způsoben především nadměrnou šířkou pásma mezi valenčním pásmem a vodivým pásmem a při pokojové teplotě není možné vést elektrický proud. . Po dopingu může být v zakázaném pásmu vytvořena nová energetická hladina (úroveň energie dárce nebo úroveň energie akceptoru), takže se šířka zakázaného pásma zmenší, ale při pokojové teplotě stále neexistuje žádná vodivost, hlavně kvůli ZrO2 v místnosti teplota Mobilita elektronů je příliš nízká. Ať už je to ZrO2 s vysokou čistotou nebo ZrO2 dopovaný, oba vykazují při pokojové teplotě vysoké izolační vlastnosti.
Hlavní vodivý mechanismus ZrO2 pochází ze směrové migrace volných míst kyslíku a vodivost se zvyšuje s nárůstem rozdílu teplot a parciálního tlaku kyslíku. V prostředí, kde je teplota vyšší než přibližně 800 ° C, je vodivost ZrO2 výrazně zlepšena a vodivost Zr02 se mění lineárně s teplotou, to znamená, že čím vyšší je teplota, tím je vodivost ZrO2 silnější.
● Bude se vodivost nekonečně zlepšovat?
nebude! Německý učenec GuoX v přehledu poukázal na to, že vodivé vlastnosti ZrO2 se liší od vlastností elektronické vodivosti. Iontově vodivý materiál ZrO2 může dosáhnout maximální iontové vodivosti za podmínky vhodné koncentrace prázdného místa, která je vyšší než optimální volné místo. Přidání dalších volných míst na základě koncentrace povede ke snížení iontové vodivosti. Vodivost ZrO2 při vysokých teplotách proto nelze zvyšovat donekonečna. Například pokles iontové vodivosti nanostrukturovaného ZrO2 je způsoben především nadměrným vlivem vnitřního rozhraní, což vede ke snížení migrace iontů. Protože vrstva vesmírného náboje ve stabilizovaném ZrO2 je asi 2,5 nm, pouze když je velikost nanočástic menší než 5 nm, dojde k přímé migraci elektronů způsobené efektem kvantové velikosti. Je zřejmé, že této situace je obtížné dosáhnout ve velkém měřítku.
