Ledende keramikk

Ledende keramikk, avanserte industrielle materialer som på grunn av endringer i strukturen fungerer som elektriske ledere.

I tillegg til de velkjente fysiske egenskapene til keramiske materialer - hardhet, trykkfasthet, sprøhet - er det egenskapen til elektrisk resistivitet. De fleste keramikker motstår strømmen av elektrisk strøm, og av denne grunn har keramiske materialer som porselen tradisjonelt blitt gjort til elektriske isolatorer. Noen keramikk er imidlertid gode ledere av elektrisitet. De fleste av disse lederne er avansert keramikk, moderne materialer hvis egenskaper er modifisert gjennom presis kontroll over deres fremstilling fra pulver til produkter. Egenskapene og fremstillingen av avansert keramikk er beskrevet i artikkelen avansert keramikk. Denne artikkelen tilbyr en oversikt over egenskapene og bruksområdene til flere elektrisk ledende avansert keramikk.

Årsakene til resistivitet i de fleste keramikker er beskrevet i artikkelen keramisk sammensetning og egenskaper. I denne artikkelen kan opprinnelsen til konduktivitet i keramikk forklares kort. Elektrisk ledningsevne i keramikk, som i de fleste materialer, er av to typer: elektronisk og ionisk. Elektronisk ledning er passering av frie elektroner gjennom et materiale. I keramikk tillater ikke ionebindingene som holder atomene sammen frie elektroner. Imidlertid kan i noen tilfeller urenheter med forskjellig valens (det vil si å ha forskjellige antall bindingselektroner) være inkludert i materialet, og disse urenheter kan fungere som givere eller akseptere av elektroner. I andre tilfeller kan overgangsmetaller eller sjeldne jordartselementer med varierende valens inkluderes; disse urenheter kan fungere som sentre for polaroner - arter av elektroner som skaper små regioner med lokal polarisering når de går fra atom til atom. Elektronisk ledende keramikk brukes som motstander, elektroder og varmeelementer.

Ionisk ledning består av overføring av ioner (atomer med positiv eller negativ ladning) fra et sted til et annet via punktfeil kalt ledige stillinger i krystallgitteret. Ved normale omgivelsestemperaturer foregår veldig lite ionehopping, siden atomene har relativt lave energitilstander. Ved høye temperaturer blir imidlertid ledige stillinger mobile, og visse keramikker viser det som kalles rask ionisk ledning. Disse keramikkene er spesielt nyttige i gasssensorer, brenselceller og batterier.

Tykkfilm og tynnfilm motstander og elektroder

Semimetalliske keramiske ledere har den høyeste konduktivitet av alle unntatt superledende keramikk (beskrevet nedenfor). Eksempler på halvmetalliske keramikk er blyoksyd (PbO), ruthenium-dioksyd (Ruo ₂), vismut ruthenat (Bi ₂ Ru ₂ O ₇), og vismut iridate (Bi ₂ Ir ₂ O ₇). I likhet med metaller har disse materialene overlappende elektronenergibånd og er derfor utmerkede elektroniske ledere. De brukes som "blekk" for silketrykkmotstander i tykkfilms mikrokretser. Blekk er pulverisert leder og glasurpartikler dispergert i passende organiske stoffer, som gir strømningsegenskapene som er nødvendige for silketrykk. Ved avfyring brenner de organiske stoffene ut når glasurene smelter sammen. Ved å variere mengden av lederpartikler er det mulig å produsere store variasjoner i motstanden til tykke filmer.

Keramikk basert på blandinger av indiumoksyd (I ₂ O ₃) og tinnoksyd (SnO ₂) - henvist til i elektronikkindustrien som indium-tinnoksyd (ITO) - er fremragende elektroniske ledere, og de har den ekstra fordelen å være optisk gjennomsiktig. Konduktivitet og gjennomsiktighet oppstår fra kombinasjonen av et stort båndgap og inkorporeringen av tilstrekkelige elektrondonorer. Det er således en optimal elektronkonsentrasjon for å maksimere både elektronisk ledningsevne og optisk overføring. ITO ser omfattende applikasjoner som tynne gjennomsiktige elektroder for solceller og for flytende krystallskjermer som de som brukes på bærbare datamaskinskjermer. ITO er også ansatt som en tynnfilm-motstand i integrerte kretsløp. For disse bruksområdene blir det brukt ved standard tynnfilmavsetning og fotolitografiske teknikker.