Vadītspējīga keramika

Vadītspējīga keramika, moderni rūpnieciski materiāli, kas, ņemot vērā to struktūras izmaiņas, kalpo par elektrības vadītājiem.

Papildus labi zināmajām keramikas materiālu fizikālajām īpašībām - cietībai, spiedes stiprībai, trauslumam - ir arī elektriskās pretestības īpašība. Lielākā daļa keramikas pretojas elektriskās strāvas plūsmai, un šī iemesla dēļ keramikas materiāli, piemēram, porcelāns, parasti tiek izgatavoti par elektriskajiem izolatoriem. Daži keramikas izstrādājumi ir lieliski elektrovadītāji. Lielākā daļa šo vadītāju ir uzlabota keramika, moderni materiāli, kuru īpašības tiek mainītas, precīzi kontrolējot to ražošanu no pulveriem izstrādājumos. Modernās keramikas īpašības un izgatavošana ir aprakstīta rakstā uzlabotā keramika. Šis raksts piedāvā pārskatu par vairāku elektriski vadošu uzlabotas keramikas īpašībām un pielietojumu.

Pretestības cēloņi lielākajā daļā keramikas ir aprakstīti rakstā keramikas sastāvs un īpašības. Šī raksta vajadzībām īsumā var izskaidrot keramikas vadītspējas izcelsmi. Elektrovadītspēja keramikā, tāpat kā lielākajā daļā materiālu, ir divu veidu: elektroniskā un jonu. Elektroniskā vadītspēja ir brīvo elektronu caurlaidība caur materiālu. Keramikā jonu saites, kas satur atomus kopā, neļauj brīvajiem elektroniem. Tomēr dažos gadījumos materiālā var iekļaut dažādas valences piemaisījumus (tas ir, kuriem ir atšķirīgs saistošo elektronu skaits), un šie piemaisījumi var darboties kā elektronu donori vai pieņēmēji. Citos gadījumos var iekļaut pārejas metālus vai retzemju elementus ar atšķirīgu valenci; šie piemaisījumi var darboties kā polaronu centri - elektronu sugas, kas, pārvietojoties no atoma uz atomu, rada mazus vietējās polarizācijas reģionus. Elektroniski vadoša keramika tiek izmantota kā rezistori, elektrodi un sildelementi.

Jonu vadīšana sastāv no jonu (pozitīvā vai negatīvā lādiņa atomu) pārvietošanās no vienas vietas uz otru caur punktu defektiem, ko sauc par vakancēm kristāla režģī. Pie normālas apkārtējās vides temperatūras jonu lēciens notiek ļoti maz, jo atomiem ir relatīvi zems enerģijas līmenis. Tomēr augstā temperatūrā vakances kļūst mobilas, un dažām keramikai piemīt tā sauktā ātrā jonu vadīšana. Šī keramika ir īpaši noderīga gāzes sensoros, kurināmā elementos un baterijās.

Biezu un plānslāņu rezistori un elektrodi

Semimetāla keramikas vadītājiem ir augstākā vadītspēja no visiem keramikas materiāliem, izņemot supravadošos (aprakstīts zemāk). Semimetāla keramikas piemēri ir svina oksīds (PbO), rutēnija dioksīds (RuO ₂), bismuta ruteņāts (Bi ₂ Ru ₂ O ₇) un bismuta iridāts (Bi ₂ Ir ₂ O ₇). Tāpat kā metāliem, šiem materiāliem ir pārklājas elektronu enerģijas joslas, un tāpēc tie ir lieliski elektronu vadītāji. Tos izmanto kā “tintes” ekrāna drukāšanas rezistoriem biezu plēvju mikroshēmās. Tintes ir pulverizētas vadītājas un glazūras daļiņas, kas izkliedētas piemērotā organiskā savienojumā, kas piešķir sietspiedei nepieciešamās plūsmas īpašības. Apdedzinot, organiskās vielas izdeg, jo glazūras sakausē. Mainot diriģenta daļiņu daudzumu, ir iespējams radīt plašas biezu plēvju pretestības variācijas.

Keramikai, kas balstīta uz indija oksīda (₂ O ₃) un alvas oksīda (SnO ₂) maisījumiem, kurus elektronikas nozarē dēvē par indija alvas oksīdu (ITO), ir izcili elektroniskie vadītāji, un tiem ir papildu priekšrocība - tie ir optiski caurspīdīgi.. Vadītspēja un caurspīdīgums rodas, apvienojot lielu joslu atstarpi un iekļaujot pietiekamus elektronu donorus. Tādējādi ir optimāla elektronu koncentrācija, lai palielinātu gan elektronisko vadītspēju, gan optisko pārraidi. ITO plaši izmanto kā plānus caurspīdīgus elektrodus saules baterijām un šķidro kristālu displejiem, piemēram, klēpjdatoru ekrānos. ITO tiek izmantots arī kā plānslāņu rezistors integrētajās shēmās. Šiem lietojumiem to piemēro ar parasto kārtiņu pārklāšanas un fotolitogrāfijas metodēm.