En plus d'être une céramique structurelle avec d'excellentes performances, la céramique de zircone est également un matériau céramique fonctionnel spécial. Par exemple, la zircone a des propriétés électriques uniques. En termes simples, la zircone a les caractéristiques d'une isolation à basse température et d'une conductivité à haute température. Une caractéristique fait de l'oxyde de zirconium une application importante dans les capteurs, les batteries à semi-conducteurs, les éléments chauffants inorganiques, etc.
● Propriétés électriques du ZrO2
Qu'il s'agisse de ZrO2 pur ou de ZrO2 dopé, ce sont des isolants à température ambiante, avec une résistivité supérieure à 1010Ω.cm, mais leur conductivité à haute température est bonne, avec un coefficient de température de résistance négatif, la résistivité est de 104Ω.cm à 1000° C, 1700°C Quand il ne fait que 6～7Ω·cm.
Selon les calculs du premier principe, dans la structure électronique de ZrO2, les niveaux d'énergie des orbitales électroniques de la bande de valence et de la bande de conduction sont différents dans le nombre d'orbitales électroniques en fonction de la structure cristalline. La bande de valence du ZrO2 est pleine bande et la bande de conduction est également remplie d'une certaine quantité d'électrons. Les performances d'isolation à température ambiante du ZrO2 sont principalement dues à la bande passante excessive entre la bande de valence et la bande de conduction, et il est impossible de conduire l'électricité à température ambiante. . Après dopage, un nouveau niveau d'énergie (niveau d'énergie du donneur ou niveau d'énergie de l'accepteur) peut être formé dans la bande interdite, de sorte que la largeur de bande interdite est réduite, mais il n'y a toujours pas de conductivité à température ambiante, principalement en raison du ZrO2 à la pièce température La mobilité des électrons est trop faible. Par conséquent, qu'il s'agisse de ZrO2 de haute pureté ou de ZrO2 dopé, les deux présentent des propriétés d'isolation élevées à température ambiante.
Le principal mécanisme conducteur du ZrO2 provient de la migration directionnelle des lacunes d'oxygène, et la conductivité augmente avec l'augmentation de la température et de la différence de pression partielle d'oxygène. Dans un environnement où la température est supérieure à environ 800°C, la conductivité du ZrO2 est grandement améliorée et la conductivité du Zr02 change linéairement avec la température, c'est-à-dire que plus la température est élevée, plus la conductivité du ZrO2 est forte.
● La conductivité sera-t-elle infiniment améliorée ?
Ne fera pas! Un universitaire allemand GuoX a souligné dans une revue que les propriétés conductrices du ZrO2 sont différentes de celles de la conductivité électronique. Le matériau ZrO2 conducteur d'ions peut atteindre la conductivité ionique maximale dans les conditions d'une concentration de lacunes appropriée, qui est supérieure à la lacune optimale. L'ajout de plus de lacunes sur la base de la concentration entraînera une diminution de la conductivité ionique. Par conséquent, la conductivité du ZrO2 à haute température ne peut pas être augmentée indéfiniment. Par exemple, la diminution de la conductivité ionique du ZrO2 nanostructuré est principalement causée par l'influence excessive de l'interface interne, ce qui entraîne une diminution de la migration ionique. Étant donné que la couche de charge d'espace dans le ZrO2 stabilisé est d'environ 2,5 nm, ce n'est que lorsque la taille de la nanoparticule est inférieure à 5 nm que la migration directe des électrons provoquée par l'effet de taille quantique se produira. Évidemment, cette situation est difficile à réaliser à grande échelle.
