Εκτός από ένα δομικό κεραμικό με εξαιρετική απόδοση, τα κεραμικά ζιρκονίας είναι επίσης ένα ειδικό λειτουργικό κεραμικό υλικό. Για παράδειγμα, η ζιρκονία έχει μοναδικές ηλεκτρικές ιδιότητες. Με απλά λόγια, η ζιρκονία έχει τα χαρακτηριστικά της μόνωσης χαμηλής θερμοκρασίας και της αγωγιμότητας υψηλής θερμοκρασίας. Ένα χαρακτηριστικό καθιστά το οξείδιο του ζιρκονίου σημαντική εφαρμογή σε αισθητήρες, μπαταρίες στερεάς κατάστασης, ανόργανα θερμαντικά στοιχεία κ.λπ.
● Ηλεκτρικές ιδιότητες του ZrO2
Είτε είναι καθαρό ZrO2 είτε ντοπαρισμένο ZrO2, είναι μονωτές σε θερμοκρασία δωματίου, με αντίσταση μεγαλύτερη από 1010Ω · cm, αλλά η αγωγιμότητα υψηλής θερμοκρασίας τους είναι καλή, με αρνητικό συντελεστή θερμοκρασίας αντίστασης, η αντίσταση είναι 104Ω · cm στις 1000 ° C, 1700 ° C Όταν είναι μόνο 6 ～ 7Ω · cm.
Σύμφωνα με υπολογισμούς πρώτης αρχής, στην ηλεκτρονική δομή του ZrO2, τα επίπεδα τροχιακής ενέργειας των ηλεκτρονίων της ζώνης σθένους και της ζώνης αγωγιμότητας είναι διαφορετικά στον αριθμό τροχιακών ηλεκτρονίων ανάλογα με τη δομή των κρυστάλλων. Η ζώνη σθένους του ZrO2 είναι πλήρους ζώνης και η ζώνη αγωγιμότητας είναι επίσης γεμάτη με μια ορισμένη ποσότητα ηλεκτρονίων. Η απόδοση μόνωσης της θερμοκρασίας δωματίου του ZrO2 οφείλεται κυρίως στο υπερβολικό εύρος ζώνης μεταξύ της ζώνης σθένους και της ζώνης αγωγιμότητας και είναι αδύνατο να μεταφερθεί ηλεκτρισμός σε θερμοκρασία δωματίου. Το Μετά το ντόπινγκ, ένα νέο ενεργειακό επίπεδο (επίπεδο ενέργειας δότη ή ενεργειακό επίπεδο δέκτη) μπορεί να σχηματιστεί στην απαγορευμένη ζώνη, έτσι ώστε το απαγορευμένο πλάτος της ζώνης να μειωθεί, αλλά δεν υπάρχει ακόμα αγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου, κυρίως λόγω του ZrO2 στο δωμάτιο θερμοκρασία Η κινητικότητα των ηλεκτρονίων είναι πολύ χαμηλή. Επομένως, είτε πρόκειται για υψηλής καθαρότητας ZrO2 είτε για ντοπαρισμένο ZrO2, και τα δύο εμφανίζουν υψηλές ιδιότητες μόνωσης σε θερμοκρασία δωματίου.
Ο κύριος αγώγιμος μηχανισμός του ZrO2 προέρχεται από την κατευθυνόμενη μετανάστευση κενών οξυγόνου και η αγωγιμότητα αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας και της διαφοράς μερικής πίεσης οξυγόνου. Σε ένα περιβάλλον όπου η θερμοκρασία είναι υψηλότερη από περίπου 800 ° C, η αγωγιμότητα του ZrO2 βελτιώνεται σημαντικά και η αγωγιμότητα του Zr02 αλλάζει γραμμικά με τη θερμοκρασία, δηλαδή όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο ισχυρότερη είναι η αγωγιμότητα του ZrO2.
● Θα βελτιωθεί άπειρα η αγωγιμότητα;
δεν θα! Ένας Γερμανός μελετητής GuoX επεσήμανε σε μια ανασκόπηση ότι οι αγώγιμες ιδιότητες του ZrO2 είναι διαφορετικές από αυτές της ηλεκτρονικής αγωγιμότητας. Το ιοντοαγωγό υλικό ZrO2 μπορεί να επιτύχει τη μέγιστη ιοντική αγωγιμότητα υπό την προϋπόθεση μιας κατάλληλης συγκέντρωσης κενών θέσεων, η οποία είναι υψηλότερη από τη βέλτιστη κενή. Η προσθήκη περισσότερων κενών θέσεων με βάση τη συγκέντρωση θα οδηγήσει σε μείωση της αγωγιμότητας των ιόντων. Επομένως, η αγωγιμότητα του ZrO2 σε υψηλές θερμοκρασίες δεν μπορεί να αυξηθεί επ 'αόριστον. Για παράδειγμα, η μείωση της αγωγιμότητας ιόντων του ναροδομημένου ZrO2 προκαλείται κυρίως από την υπερβολική επίδραση της εσωτερικής διεπαφής, η οποία οδηγεί σε μείωση της μετανάστευσης ιόντων. Δεδομένου ότι το στρώμα φόρτισης χώρου στο σταθεροποιημένο ZrO2 είναι περίπου 2,5nm, μόνο όταν το μέγεθος του νανοσωματιδίου είναι μικρότερο από 5nm θα συμβεί η μετανάστευση ηλεκτρονίων που προκαλείται από το φαινόμενο του κβαντικού μεγέθους. Προφανώς, αυτή η κατάσταση είναι δύσκολο να επιτευχθεί σε μεγάλη κλίμακα.
