Oltre ad essere una ceramica strutturale con prestazioni eccellenti, la ceramica in zirconia è anche uno speciale materiale ceramico funzionale. Ad esempio, la zirconia ha proprietà elettriche uniche. In poche parole, la zirconia ha le caratteristiche di isolamento a bassa temperatura e conduttività ad alta temperatura. Una caratteristica rende l'ossido di zirconio un'importante applicazione in sensori, batterie a stato solido, elementi riscaldanti inorganici, ecc.
● Proprietà elettriche di ZrO2
Che si tratti di ZrO2 puro o ZrO2 drogato, sono isolanti a temperatura ambiente, con resistività maggiore di 1010Ω·cm, ma la loro conducibilità ad alta temperatura è buona, con coefficiente di resistenza alla temperatura negativo, la resistività è di 104Ω·cm a 1000° C, 1700°C Quando è solo 6～7Ω·cm.
Secondo i calcoli del primo principio, nella struttura elettronica di ZrO2, i livelli di energia orbitale degli elettroni della banda di valenza e della banda di conduzione sono diversi nel numero di orbitali elettronici a seconda della struttura cristallina. La banda di valenza di ZrO2 è a banda piena e anche la banda di conduzione è riempita con una certa quantità di elettroni. Le prestazioni di isolamento a temperatura ambiente di ZrO2 sono dovute principalmente all'eccessiva larghezza di banda tra la banda di valenza e la banda di conduzione ed è impossibile condurre elettricità a temperatura ambiente. . Dopo il doping, si può formare un nuovo livello di energia (livello di energia del donatore o livello di energia dell'accettore) nella banda proibita, in modo che l'ampiezza della banda proibita sia ridotta, ma non c'è ancora conduttività a temperatura ambiente, principalmente a causa della ZrO2 nella stanza temperatura La mobilità degli elettroni è troppo bassa. Pertanto, sia che si tratti di ZrO2 di elevata purezza o di ZrO2 drogato, entrambi presentano elevate proprietà di isolamento a temperatura ambiente.
Il principale meccanismo conduttivo di ZrO2 deriva dalla migrazione direzionale delle vacanze di ossigeno e la conduttività aumenta con l'aumento della temperatura e della differenza di pressione parziale dell'ossigeno. In un ambiente in cui la temperatura è superiore a circa 800°C, la conduttività di ZrO2 è notevolmente migliorata e la conduttività di Zr02 cambia linearmente con la temperatura, ovvero, maggiore è la temperatura, maggiore è la conduttività di ZrO2.
● La conduttività sarà infinitamente migliorata?
non! Uno studioso tedesco GuoX ha sottolineato in una recensione che le proprietà conduttive dello ZrO2 sono diverse da quelle della conduttività elettronica. Il materiale ZrO2 a conduzione ionica può raggiungere la massima conduttività ionica a condizione di una concentrazione di vacanza adeguata, che è superiore alla vacanza ottimale. L'aggiunta di più posti vacanti in base alla concentrazione risulterà in una diminuzione della conduttività ionica. Pertanto, la conduttività di ZrO2 ad alte temperature non può essere aumentata indefinitamente. Ad esempio, la diminuzione della conduttività ionica dello ZrO2 nanostrutturato è principalmente causata dall'eccessiva influenza dell'interfaccia interna, che porta a una diminuzione della migrazione ionica. Poiché lo strato di carica spaziale nello ZrO2 stabilizzato è di circa 2,5 nm, solo quando la dimensione della nanoparticella è inferiore a 5 nm si verificherà la migrazione di elettroni diretta causata dall'effetto della dimensione quantistica. Ovviamente, questa situazione è difficile da realizzare su larga scala.
