Ceramica conductivă

Ceramica conductivă, materiale industriale avansate care, datorită modificărilor structurii lor, servesc ca conductori electrici.

Pe lângă proprietățile fizice binecunoscute ale materialelor ceramice - duritate, rezistență la compresiune, fragilitate - există proprietatea rezistivității electrice. Majoritatea ceramicii rezistă la curgerea curentului electric și din acest motiv, materialele ceramice precum porțelanul au fost făcute în mod tradițional în izolatoare electrice. Totuși, unele ceramice sunt excelente conductoare de electricitate. Majoritatea acestor conductori sunt ceramică avansată, materiale moderne ale căror proprietăți sunt modificate printr-un control precis asupra fabricării lor din pulberi în produse. Proprietățile și fabricarea ceramicii avansate sunt descrise în articol ceramica avansată. Acest articol oferă un sondaj cu privire la proprietățile și aplicațiile mai multor ceramice avansate conductoare electric.

Cauzele rezistivității în majoritatea ceramicii sunt descrise în articol compoziția și proprietățile ceramice. În sensul acestui articol, originile conductivității în ceramică pot fi explicate pe scurt. Conductivitatea electrică în ceramică, ca în majoritatea materialelor, este de două tipuri: electronică și ionică. Conducția electronică este trecerea electronilor liberi printr-un material. În ceramică, legăturile ionice care țin împreună atomii nu permit electroni liberi. Cu toate acestea, în unele cazuri, pot fi incluse în material impurități de valență diferită (adică care posedă un număr diferit de electroni de legătură), iar aceste impurități pot acționa ca donatori sau acceptoare de electroni. În alte cazuri, pot fi incluse metale de tranziție sau elemente de pământuri rare cu valență variabilă; aceste impurități pot acționa ca centre pentru poloni - specii de electroni care creează regiuni mici de polarizare locală pe măsură ce se deplasează de la atom la atom. Ceramica electrică conductivă este folosită ca rezistențe, electrozi și elemente de încălzire.

Conducerea ionică constă în tranzitul ionilor (atomi de încărcare pozitivă sau negativă) de la un loc la altul prin defecte punctuale numite locuri vacante în zăbrele de cristal. La temperaturi ambientale normale are loc o foarte mică cantitate de ioni, deoarece atomii sunt la stări de energie relativ scăzute. La temperaturi ridicate, însă, locurile de muncă vacante devin mobile, iar anumite ceramice prezintă ceea ce este cunoscut sub numele de conducție ionică rapidă. Aceste ceramice sunt utile în special pentru senzori de gaz, baterii de combustibil și baterii.

Rezistențe și electrozi cu peliculă groasă și cu film subțire

Conductoarele ceramice semimetalice au cele mai mari conductivități ale tuturor ceramicii supraconductoare (descrise mai jos). Exemple de ceramică semimetalică sunt oxidul de plumb (PbO), dioxidul de ruteniu (RuO ₂), rutenatul de bismut (Bi ₂ Ru ₂ O ₇) și iridatul de bismut (Bi ₂ Ir ₂ O ₇). La fel ca metalele, aceste materiale au benzi de energie electronice suprapuse și sunt, prin urmare, excelente conductoare electronice. Acestea sunt folosite ca „cerneluri” pentru rezistențele de tipărire în microcircuite cu film gros. Cernelurile sunt conductoare pulverizate și particule de glazură dispersate în organice adecvate, care conferă proprietățile de curgere necesare serigrafiei. La tragere, substanțele organice se ard, pe măsură ce glazurile fuzionează. Prin variația cantității de particule conductor, este posibil să se producă variații largi în rezistența filmelor groase.

Ceramica bazată pe amestecuri de oxid de indiu (în ₂ O ₃) și oxid de staniu (SnO ₂) - se referă în industria electronică, sub formă de oxid de staniu (ITO) - sunt conductoare electronice deosebite și au un plus de virtute de a fi optic transparente. Conductivitatea și transparența apar din combinarea unui decalaj mare de bandă și prin încorporarea de suficiente donatoare de electroni. Există astfel o concentrație optimă de electroni pentru a maximiza atât conductivitatea electronică cât și transmisia optică. ITO consideră că aplicațiile extinse sunt sub formă de electrozi subțiri transparenti pentru celulele solare și pentru afișele cu cristale lichide, precum cele utilizate pe ecranele computerului laptop. ITO este, de asemenea, utilizat ca o rezistență cu film subțire în circuitele integrate. Pentru aceste aplicații se aplică prin depunere standard cu filme subțiri și tehnici fotolitografice.