Selain menjadi keramik struktural dengan kinerja yang sangat baik, keramik zirkonia juga merupakan bahan keramik fungsional khusus. Misalnya, zirkonia memiliki sifat listrik yang unik. Sederhananya, zirkonia memiliki karakteristik isolasi suhu rendah dan konduktivitas suhu tinggi. Salah satu karakteristik membuat zirkonium oksida aplikasi penting dalam sensor, baterai solid-state, elemen pemanas anorganik, dll.
● Sifat kelistrikan ZrO2
Apakah itu ZrO2 murni atau ZrO2 yang didoping, mereka adalah isolator pada suhu kamar, dengan resistivitas lebih besar dari 1010Ω·cm, tetapi konduktivitas suhu tinggi mereka baik, dengan koefisien resistansi suhu negatif, resistivitasnya adalah 104Ω·cm pada 1000 ° C, 1700 °C Ketika hanya 6～7Ω·cm.
Menurut perhitungan prinsip pertama, dalam struktur elektronik ZrO2, tingkat energi orbital elektron pita valensi dan pita konduksi berbeda dalam jumlah orbital elektron tergantung pada struktur kristal. Pita valensi ZrO2 adalah pita penuh, dan pita konduksi juga diisi dengan sejumlah elektron. Kinerja isolasi suhu kamar ZrO2 terutama disebabkan oleh bandwidth yang berlebihan antara pita valensi dan pita konduksi, dan tidak mungkin untuk menghantarkan listrik pada suhu kamar. . Setelah doping, tingkat energi baru (tingkat energi donor atau tingkat energi akseptor) dapat dibentuk di pita terlarang, sehingga lebar pita terlarang berkurang, tetapi masih tidak ada konduktivitas pada suhu kamar, terutama karena ZrO2 di ruang temperatur Mobilitas elektron terlalu rendah. Oleh karena itu, apakah itu ZrO2 dengan kemurnian tinggi atau ZrO2 yang didoping, keduanya menunjukkan sifat insulasi yang tinggi pada suhu kamar.
Mekanisme konduktif utama ZrO2 berasal dari migrasi terarah kekosongan oksigen, dan konduktivitas meningkat dengan meningkatnya suhu dan perbedaan tekanan parsial oksigen. Dalam lingkungan di mana suhu lebih tinggi dari sekitar 800 ° C, konduktivitas ZrO2 sangat meningkat, dan konduktivitas Zr02 berubah secara linier dengan suhu, yaitu, semakin tinggi suhu, semakin kuat konduktivitas ZrO2.
● Apakah konduktivitas akan meningkat tanpa batas?
tidak akan! Seorang sarjana Jerman GuoX menunjukkan dalam ulasan bahwa sifat konduktif ZrO2 berbeda dari konduktivitas elektronik. Bahan ZrO2 penghantar ion dapat mencapai konduktivitas ionik maksimum di bawah kondisi konsentrasi kekosongan yang sesuai, yang lebih tinggi dari kekosongan optimal. Menambahkan lebih banyak kekosongan berdasarkan konsentrasi akan menghasilkan penurunan konduktivitas ion. Oleh karena itu, konduktivitas ZrO2 pada suhu tinggi tidak dapat ditingkatkan tanpa batas. Misalnya, penurunan konduktivitas ion ZrO2 berstruktur nano terutama disebabkan oleh pengaruh antarmuka internal yang berlebihan, yang menyebabkan penurunan migrasi ion. Karena lapisan muatan ruang di ZrO2 yang distabilkan adalah sekitar 2.5nm, hanya ketika ukuran nanopartikel kurang dari 5nm akan terjadi migrasi elektron langsung yang disebabkan oleh efek ukuran kuantum. Jelas, situasi ini sulit dicapai dalam skala besar.
