بالإضافة إلى كونه سيراميك إنشائي ذو أداء ممتاز ، فإن سيراميك الزركونيا هو أيضًا مادة سيراميك وظيفية خاصة. على سبيل المثال ، الزركونيا لها خصائص كهربائية فريدة. ببساطة ، تتميز الزركونيا بخصائص عزل درجات الحرارة المنخفضة والتوصيل في درجات الحرارة العالية. إحدى الخصائص تجعل أكسيد الزركونيوم تطبيقًا مهمًا في أجهزة الاستشعار ، وبطاريات الحالة الصلبة ، وعناصر التسخين غير العضوية ، إلخ.
● الخواص الكهربائية لـ ZrO2
سواء كان ZrO2 نقيًا أو ZrO2 مخدرًا ، فهي عوازل في درجة حرارة الغرفة ، بمقاومة أكبر من 1010 · سم ، لكن موصلية درجات الحرارة العالية جيدة ، مع معامل درجة حرارة سالب للمقاومة ، المقاومة هي 104 سم عند 1000 درجة C، 1700 ° C عندما تكون 6 7Ω · سم فقط.
وفقًا لحسابات المبدأ الأول ، في البنية الإلكترونية لـ ZrO2 ، تختلف مستويات الطاقة المدارية الإلكترونية لنطاق التكافؤ ونطاق التوصيل في عدد مدارات الإلكترون اعتمادًا على التركيب البلوري. نطاق التكافؤ لـ ZrO2 عبارة عن نطاق كامل ، كما يتم ملء نطاق التوصيل بكمية معينة من الإلكترونات. يرجع أداء عزل درجة حرارة الغرفة لـ ZrO2 بشكل أساسي إلى عرض النطاق الترددي المفرط بين نطاق التكافؤ وشريط التوصيل ، ومن المستحيل توصيل الكهرباء في درجة حرارة الغرفة. . بعد تناول المنشطات ، يمكن تشكيل مستوى طاقة جديد (مستوى طاقة المتبرع أو مستوى طاقة المستقبل) في النطاق المحظور ، بحيث يتم تقليل عرض النطاق المحظور ، ولكن لا يوجد حتى الآن موصلية في درجة حرارة الغرفة ، ويرجع ذلك أساسًا إلى ZrO2 في الغرفة درجة الحرارة حركة الإلكترون منخفضة للغاية. لذلك ، سواء كان ZrO2 عالي النقاء أو ZrO2 مخدر ، كلاهما يحمل خصائص عزل عالية في درجة حرارة الغرفة.
تأتي آلية التوصيل الرئيسية لـ ZrO2 من الهجرة الاتجاهية لشواغر الأكسجين ، وتزداد الموصلية مع زيادة درجة الحرارة وفرق الضغط الجزئي للأكسجين. في بيئة تكون فيها درجة الحرارة أعلى من حوالي 800 درجة مئوية ، يتم تحسين موصلية ZrO2 بشكل كبير ، وتتغير موصلية Zr02 خطيًا مع درجة الحرارة ، أي أنه كلما ارتفعت درجة الحرارة ، زادت موصلية ZrO2.
● هل ستتحسن الموصلية بشكل لا نهائي؟
سوف لن! أشار الباحث الألماني GuoX في مراجعة إلى أن الخصائص الموصلة لـ ZrO2 تختلف عن تلك الخاصة بالتوصيل الإلكتروني. يمكن لمادة ZrO2 الموصلة للأيونات أن تحقق أقصى قدر من الموصلية الأيونية في حالة وجود تركيز شاغر مناسب ، وهو أعلى من الشاغر الأمثل. ستؤدي إضافة المزيد من الوظائف الشاغرة على أساس التركيز إلى انخفاض في التوصيل الأيوني. لذلك ، لا يمكن زيادة موصلية ZrO2 في درجات حرارة عالية إلى أجل غير مسمى. على سبيل المثال ، الانخفاض في التوصيل الأيوني لـ ZrO2 ذو البنية النانوية ناتج بشكل رئيسي عن التأثير المفرط للواجهة الداخلية ، مما يؤدي إلى انخفاض في هجرة الأيونات. نظرًا لأن طبقة الشحن الفضائي في ZrO2 المستقرة تبلغ حوالي 2.5 نانومتر ، فقط عندما يكون حجم الجسيمات النانوية أقل من 5 نانومتر سوف يحدث انتقال الإلكترون المباشر الناتج عن تأثير الحجم الكمي. من الواضح أن هذا الوضع يصعب تحقيقه على نطاق واسع.
