Udover at være en strukturel keramik med fremragende ydeevne, er zirkoniumkeramik også et specielt funktionelt keramisk materiale. For eksempel har zirconia unikke elektriske egenskaber. Kort sagt, zirkonium har egenskaberne ved lav temperaturisolering og høj temperatur konduktivitet. En egenskab gør zirconiumoxid til en vigtig anvendelse i sensorer, solid-state batterier, uorganiske varmeelementer osv.
● Elektriske egenskaber ved ZrO2
Uanset om det er ren ZrO2 eller dopet ZrO2, er de isolatorer ved stuetemperatur, med en resistivitet større end 1010Ω · cm, men deres høje temperatur konduktivitet er god, med en negativ temperaturkoefficient, resistiviteten er 104Ω · cm ved 1000 ° C, 1700 ° C Når den kun er 6 ～ 7Ω · cm.
Ifølge førsteprincipberegninger i ZrO2s elektroniske struktur er elektronorbitalenerginiveauerne i valensbåndet og ledningsbåndet forskellige i antallet af elektronorbitaler afhængigt af krystalstrukturen. Valensbåndet til ZrO2 er fuldt bånd, og ledningsbåndet er også fyldt med en vis mængde elektroner. ZrO2's isoleringsevne ved rumtemperatur skyldes hovedsageligt den store båndbredde mellem valensbåndet og ledningsbåndet, og det er umuligt at lede elektricitet ved stuetemperatur. . Efter doping kan der dannes et nyt energiniveau (donorens energiniveau eller acceptorens energiniveau) i det forbudte bånd, så den forbudte båndbredde reduceres, men der er stadig ingen ledningsevne ved stuetemperatur, hovedsageligt på grund af ZrO2 i rummet temperatur Elektronmobiliteten er for lav. Uanset om det er ZrO2 med høj renhed eller dopet ZrO2, udviser begge derfor høje isoleringsegenskaber ved stuetemperatur.
Den primære ledende mekanisme for ZrO2 stammer fra den retningsbestemte migration af iltfrie pladser, og ledningsevnen stiger med stigningen i temperatur og iltpartialtryksforskel. I et miljø, hvor temperaturen er højere end omkring 800 ° C, er ZrO2s ledningsevne stærkt forbedret, og ledningsevnen for Zr02 ændres lineært med temperaturen, det vil sige, jo højere temperaturen er, desto stærkere er ZrO2s ledningsevne.
● Vil ledningsevnen blive uendeligt forbedret?
vil ikke! En tysk forsker GuoX påpegede i en anmeldelse, at de ledende egenskaber ved ZrO2 adskiller sig fra elektronisk ledningsevne. Det ionledende ZrO2-materiale kan opnå den maksimale ioniske ledningsevne under betingelse af en passende stillingskoncentration, som er højere end den optimale ledighed. Tilføjelse af flere ledige stillinger på grundlag af koncentrationen vil resultere i et fald i ionledningsevne. Derfor kan ZrO2s ledningsevne ved høje temperaturer ikke øges på ubestemt tid. For eksempel skyldes faldet i ionledningsevne for nanostrukturerede ZrO2 hovedsageligt den overdrevne indflydelse fra det interne interface, hvilket fører til et fald i ionmigration. Da pladsladningslaget i det stabiliserede ZrO2 er omkring 2,5 nm, vil der kun forekomme direkte nanopartikelstørrelse, der er mindre end 5 nm, ved elektronmigration forårsaget af kvantestørrelseseffekten. Denne situation er naturligvis vanskelig at opnå i stor skala.
