Zirkonya seramikler mükemmel performansa sahip yapısal bir seramik olmanın yanı sıra aynı zamanda özel bir fonksiyonel seramik malzemedir. Örneğin, zirkonya benzersiz elektriksel özelliklere sahiptir. Basitçe söylemek gerekirse, zirkonya düşük sıcaklık yalıtımı ve yüksek sıcaklık iletkenliği özelliklerine sahiptir. Bir özelliği, zirkonyum oksidi sensörlerde, katı hal pillerinde, inorganik ısıtma elemanlarında vb. önemli bir uygulama haline getirir.
● ZrO2'nin elektriksel özellikleri
İster saf ZrO2 ister katkılı ZrO2 olsun, oda sıcaklığında yalıtkandırlar, direnci 1010Ω·cm'den büyüktür, ancak yüksek sıcaklık iletkenlikleri iyidir, negatif sıcaklık direnç katsayısı ile dirençleri 1000°'de 104Ω·cm'dir. C, 1700°C Sadece 6～7Ω·cm olduğunda.
Birinci ilke hesaplamalarına göre ZrO2'nin elektronik yapısında, değerlik bandı ve iletim bandının elektron yörünge enerji seviyeleri, kristal yapıya bağlı olarak elektron yörünge sayılarında farklıdır. ZrO2'nin değerlik bandı tam banttır ve iletim bandı da belirli miktarda elektronla doludur. ZrO2'nin oda sıcaklığı yalıtım performansı, esas olarak değerlik bandı ile iletim bandı arasındaki aşırı bant genişliğinden kaynaklanmaktadır ve oda sıcaklığında elektriği iletmek imkansızdır. . Doping işleminden sonra, yasak bantta yeni bir enerji seviyesi (verici enerji seviyesi veya alıcı enerji seviyesi) oluşturulabilir, böylece yasak bant genişliği azalır, ancak esas olarak odadaki ZrO2 nedeniyle oda sıcaklığında hala iletkenlik yoktur. sıcaklık Elektron hareketliliği çok düşük. Bu nedenle, ister yüksek saflıkta ZrO2 ister katkılı ZrO2 olsun, her ikisi de oda sıcaklığında yüksek yalıtım özellikleri sergiler.
ZrO2'nin ana iletken mekanizması, oksijen boşluklarının yönlü göçünden gelir ve sıcaklık ve oksijen kısmi basınç farkının artmasıyla iletkenlik artar. Sıcaklığın yaklaşık 800°C'den yüksek olduğu bir ortamda, ZrO2'nin iletkenliği büyük ölçüde iyileşir ve Zr02'nin iletkenliği sıcaklıkla doğrusal olarak değişir, yani sıcaklık ne kadar yüksek olursa, ZrO2'nin iletkenliği o kadar güçlü olur.
● İletkenlik sonsuza kadar iyileştirilecek mi?
olmaz! Bir Alman bilim adamı GuoX, bir incelemede ZrO2'nin iletken özelliklerinin elektronik iletkenlikten farklı olduğuna dikkat çekti. İyon iletken ZrO2 malzemesi, optimum boşluktan daha yüksek olan uygun bir boşluk konsantrasyonu koşulu altında maksimum iyonik iletkenliğe ulaşabilir. Konsantrasyon temelinde daha fazla boşluk eklemek, iyon iletkenliğinde bir azalmaya neden olacaktır. Bu nedenle, ZrO2'nin yüksek sıcaklıklarda iletkenliği süresiz olarak artırılamaz. Örneğin, nano yapılı ZrO2'nin iyon iletkenliğindeki azalma, esas olarak, iyon göçünde bir azalmaya yol açan iç arayüzün aşırı etkisinden kaynaklanır. Stabilize edilmiş ZrO2'deki uzay yükü tabakası yaklaşık 2.5nm olduğundan, sadece nanoparçacık boyutu 5nm'den küçük olduğunda kuantum boyut etkisinin neden olduğu elektron göçünü yönlendirecektir. Açıkçası, bu durumu büyük ölçekte elde etmek zordur.
