Zirkonoxid-Keramik ist nicht nur eine Strukturkeramik mit hervorragender Leistungsfähigkeit, sondern auch ein spezieller Funktionskeramikwerkstoff. Zirkonoxid hat beispielsweise einzigartige elektrische Eigenschaften. Einfach ausgedrückt hat Zirkonoxid die Eigenschaften einer Niedertemperaturisolierung und einer Hochtemperaturleitfähigkeit. Eine Eigenschaft macht Zirkonoxid zu einer wichtigen Anwendung in Sensoren, Festkörperbatterien, anorganischen Heizelementen usw.
● Elektrische Eigenschaften von ZrO2
Ob reines ZrO2 oder dotiertes ZrO2, sie sind bei Raumtemperatur Isolatoren mit einem spezifischen Widerstand von mehr als 1010Ω·cm, aber ihre hohe Temperaturleitfähigkeit ist gut, mit einem negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstands, der spezifische Widerstand beträgt 104Ω·cm bei 1000° C, 1700°C Wenn es nur 6～7Ω·cm beträgt.
Nach First-Principle-Rechnungen unterscheiden sich in der elektronischen Struktur von ZrO2 die Elektronenorbitalenergieniveaus von Valenzband und Leitungsband in Abhängigkeit von der Kristallstruktur in der Anzahl der Elektronenorbitale. Das Valenzband von ZrO2 ist ein Vollband, und das Leitungsband ist ebenfalls mit einer bestimmten Menge an Elektronen gefüllt. Die Isolierleistung von ZrO2 bei Raumtemperatur ist hauptsächlich auf die übermäßige Bandbreite zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband zurückzuführen, und es ist unmöglich, Elektrizität bei Raumtemperatur zu leiten. . Nach der Dotierung kann sich im verbotenen Band ein neues Energieniveau (Donor-Energieniveau oder Akzeptor-Energieniveau) ausbilden, so dass die Breite des verbotenen Bandes reduziert wird, aber bei Raumtemperatur noch keine Leitfähigkeit vorhanden ist, hauptsächlich aufgrund des ZrO2 bei Raum Temperatur Die Elektronenbeweglichkeit ist zu gering. Daher zeigen beide, ob hochreines ZrO2 oder dotiertes ZrO2, bei Raumtemperatur hohe Isolationseigenschaften.
Der Hauptleitmechanismus von ZrO2 beruht auf der gerichteten Wanderung von Sauerstoffleerstellen, und die Leitfähigkeit nimmt mit steigender Temperatur und Sauerstoffpartialdruckdifferenz zu. In einer Umgebung, in der die Temperatur höher als etwa 800°C ist, wird die Leitfähigkeit von ZrO2 stark verbessert, und die Leitfähigkeit von Zr02 ändert sich linear mit der Temperatur, dh je höher die Temperatur, desto stärker die Leitfähigkeit von ZrO2.
● Wird die Leitfähigkeit unendlich verbessert?
wird nicht! Ein deutscher Wissenschaftler GuoX wies in einem Übersichtsartikel darauf hin, dass sich die leitfähigen Eigenschaften von ZrO2 von denen der elektronischen Leitfähigkeit unterscheiden. Das ionenleitende ZrO2-Material kann die maximale Ionenleitfähigkeit unter der Bedingung einer geeigneten Leerstellenkonzentration erreichen, die höher ist als die optimale Leerstelle. Das Hinzufügen weiterer Leerstellen auf der Grundlage der Konzentration führt zu einer Abnahme der Ionenleitfähigkeit. Daher kann die Leitfähigkeit von ZrO2 bei hohen Temperaturen nicht unbegrenzt erhöht werden. Beispielsweise wird die Abnahme der Ionenleitfähigkeit von nanostrukturiertem ZrO2 hauptsächlich durch den übermäßigen Einfluss der inneren Grenzfläche verursacht, was zu einer Abnahme der Ionenwanderung führt. Da die Raumladungsschicht im stabilisierten ZrO 2 etwa 2,5 nm beträgt, tritt nur dann eine direkte Elektronenmigration auf, die durch den Quantengrößeneffekt verursacht wird, wenn die Größe des Nanopartikels weniger als 5 nm beträgt. Offensichtlich ist diese Situation im großen Maßstab schwer zu erreichen.
