Juhtiv keraamika

Juhtiv keraamika, kõrgtehnoloogilised tööstusmaterjalid, mis oma struktuuri muutuste tõttu on elektrijuhid.

Lisaks keraamiliste materjalide tuntud füüsikalistele omadustele (kõvadus, survetugevus, rabedus) on ka elektritakistuse omadus. Enamik keraamikaid peab vastu elektrivoolule ja sel põhjusel on keraamilised materjalid, näiteks portselan, valmistatud traditsiooniliselt elektrisolaatoriteks. Mõned keraamikud on aga suurepärased elektrijuhid. Enamik neist juhtidest on arenenud keraamika, kaasaegsed materjalid, mille omadusi muudetakse tänu nende pulbrist toodeteks valmistamise täpsele juhtimisele. Täiustatud keraamika omadusi ja valmistamist kirjeldatakse artiklis täiustatud keraamika. See artikkel pakub ülevaate mitmete elektrit juhtivate täiustatud keraamika omadustest ja rakendustest.

Resistentsuse põhjuseid enamikus keraamikates kirjeldatakse artiklis keraamiline koostis ja omadused. Selle artikli kohaldamisel võib lühidalt selgitada keraamika juhtivuse päritolu. Nagu enamiku materjalide keraamika elektrijuhtivus on kahte tüüpi: elektrooniline ja ioonne. Elektrooniline juhtivus on vabade elektronide läbimine läbi materjali. Keraamikas ei võimalda aatomeid koos hoidvad ioonilised sidemed vabu elektrone. Kuid mõnel juhul võib materjali sisaldada erineva valentsiga lisandeid (see tähendab, et neil on erinev arv sidumiselektrone) ja need lisandid võivad toimida elektronide doonorina või vastuvõtjana. Muudel juhtudel võivad need sisaldada erineva valentsusega siirdemetalle või haruldaste muldmetallide elemente; need lisandid võivad toimida polaronide keskustena - elektronide liigid, mis loovad aatomist aatomini liikudes väikese kohaliku lokaalse polarisatsiooni piirkonnad. Takistitena, elektroodide ja kütteelementidena kasutatakse elektrooniliselt juhtivat keraamikat.

Ioonjuhtivus seisneb ioonide (positiivse või negatiivse laengu aatomite) ülekandmisel ühest kohast teise punktidefektide kaudu, mida nimetatakse kristallvõre vakantsideks. Normaalsetel ümbritsevatel temperatuuridel toimub ioonide hüppamine väga vähe, kuna aatomite energiaseisund on suhteliselt madal. Kuid kõrgetel temperatuuridel muutuvad vabad kohad liikuvaks ja teatud keraamikatel on kiire ioonjuhtivus. Need keraamikad on eriti kasulikud gaasiandurites, kütuseelementides ja akudes.

Paks- ja õhukesekihilised takistid ja elektroodid

Semimetallilistel keraamilistel juhtidel on suurim juhtivus kõigil peale ülijuhtivusega keraamika (kirjeldatud allpool). Semimetallkeraamika näideteks on pliioksiid (PbO), ruteeniumdioksiid (RuO ₂), vismutruteenaat (Bi ₂ Ru ₂ O ₇) ja vismuti iridaat (Bi ₂ Ir ₂ O ₇). Nagu metallidel, on ka nendel materjalidel kattuvad elektronide energiaribad ja seetõttu on nad suurepärased elektroonilised juhid. Neid kasutatakse „tintidena” paksu kilega mikrolülituste ekraanitrükitakistitele. Tindid on pulbristatud juhtivast ja sobivas orgaanilises koostises hajutatud glasuuriosakesed, mis annavad sõeltrüki jaoks vajalikud voolavusomadused. Tulistamisel põlevad orgaanilised ühendid glasuuride sulandumisel. Juhtosakeste koguse varieerimisega on võimalik saavutada paksude kilede vastupidavuse suuri erinevusi.

Keraamika, mis põhineb indiumoksiidi (₂ O ₃) ja tina oksiidi (SnO ₂) segudel - mida elektroonikatööstuses nimetatakse indiumoksiidi oksiidiks (ITO) - on silmapaistvad elektroonilised juhid ja lisaks on neil veel optiline läbipaistvus. Juhtivus ja läbipaistvus tulenevad suure ribalaiuse ja piisavate elektronidoonorite kaasamisest. Seega on optimaalne elektronide kontsentratsioon, et maksimeerida nii elektroonilist juhtivust kui ka optilist ülekannet. ITO näeb laialdast kasutamist õhukeste läbipaistvate elektroodidena päikesepatareidele ja vedelkristallkuvaritele, näiteks sellistele, mida kasutatakse sülearvuti ekraanidel. ITO-d kasutatakse ka õhukese kiletakistina integraallülitustes. Nendes rakendustes rakendatakse seda tavalise õhukese kilega sadestamise ja fotolitograafiliste meetoditega.