Leitfähige Keramik

Leitfähige Keramik, fortschrittliche Industriematerialien, die aufgrund von Strukturänderungen als elektrische Leiter dienen.

Neben den bekannten physikalischen Eigenschaften keramischer Werkstoffe - Härte, Druckfestigkeit, Sprödigkeit - gibt es die Eigenschaft des spezifischen elektrischen Widerstands. Die meisten Keramiken widerstehen dem Stromfluss, und aus diesem Grund wurden Keramikmaterialien wie Porzellan traditionell zu elektrischen Isolatoren verarbeitet. Einige Keramiken sind jedoch ausgezeichnete Stromleiter. Die meisten dieser Leiter sind fortschrittliche Keramiken, moderne Materialien, deren Eigenschaften durch präzise Kontrolle ihrer Herstellung von Pulvern zu Produkten verändert werden. Die Eigenschaften und die Herstellung von fortgeschrittener Keramik sind im Artikel fortgeschrittene Keramik beschrieben. Dieser Artikel bietet einen Überblick über die Eigenschaften und Anwendungen mehrerer elektrisch leitfähiger Hochleistungskeramiken.

Die Ursachen des spezifischen Widerstands in den meisten Keramiken sind im Artikel Keramikzusammensetzung und -eigenschaften beschrieben. Für die Zwecke dieses Artikels können die Ursprünge der Leitfähigkeit in Keramik kurz erläutert werden. Die elektrische Leitfähigkeit in Keramik ist wie in den meisten Materialien von zwei Arten: elektronisch und ionisch. Elektronische Leitung ist der Durchgang freier Elektronen durch ein Material. In der Keramik lassen die Ionenbindungen, die die Atome zusammenhalten, keine freien Elektronen zu. In einigen Fällen können jedoch Verunreinigungen unterschiedlicher Wertigkeit (dh mit unterschiedlicher Anzahl von Bindungselektronen) in dem Material enthalten sein, und diese Verunreinigungen können als Donoren oder Akzeptoren von Elektronen wirken. In anderen Fällen können Übergangsmetalle oder Seltenerdelemente unterschiedlicher Wertigkeit enthalten sein; Diese Verunreinigungen können als Zentren für Polaronen fungieren - Arten von Elektronen, die kleine Regionen lokaler Polarisation erzeugen, wenn sie sich von Atom zu Atom bewegen. Elektronisch leitende Keramiken werden als Widerstände, Elektroden und Heizelemente verwendet.

Die Ionenleitung besteht aus dem Transit von Ionen (Atomen positiver oder negativer Ladung) von einer Stelle zur anderen über Punktdefekte, die als Leerstellen im Kristallgitter bezeichnet werden. Bei normalen Umgebungstemperaturen findet sehr wenig Ionensprung statt, da sich die Atome in relativ niedrigen Energiezuständen befinden. Bei hohen Temperaturen werden jedoch Leerstellen beweglich, und bestimmte Keramiken weisen eine sogenannte schnelle Ionenleitung auf. Diese Keramiken eignen sich besonders für Gassensoren, Brennstoffzellen und Batterien.

Dickschicht- und Dünnschichtwiderstände und Elektroden

Halbmetallische Keramikleiter haben die höchsten Leitfähigkeiten aller außer supraleitenden Keramiken (nachstehend beschrieben). Beispiele für Halbmetallkeramiken sind Bleioxid (PbO), Rutheniumdioxid (RuO ₂), Wismutruthenat (Bi ₂ Ru ₂ O ₇) und Wismutiridat (Bi ₂ Ir ₂ O ₇). Wie Metalle haben diese Materialien überlappende Elektronenenergiebänder und sind daher ausgezeichnete elektronische Leiter. Sie werden als "Tinten" für Siebdruckwiderstände in Dickschicht-Mikroschaltungen verwendet. Tinten sind pulverisierte Leiter- und Glasurpartikel, die in geeigneten organischen Stoffen dispergiert sind und die für den Siebdruck erforderlichen Fließeigenschaften verleihen. Beim Brennen brennen die organischen Stoffe aus, wenn die Glasuren verschmelzen. Durch Variieren der Menge an Leiterteilchen ist es möglich, große Variationen im Widerstand von dicken Filmen zu erzeugen.

Keramiken auf der Basis von Gemischen aus Indiumoxid (In ₂ O ₃) und Zinnoxid (SnO ₂) - in der Elektronikindustrie als Indiumzinnoxid (ITO) bezeichnet - sind hervorragende elektronische Leiter und haben den zusätzlichen Vorteil, optisch transparent zu sein. Leitfähigkeit und Transparenz ergeben sich aus der Kombination einer großen Bandlücke und dem Einbau ausreichender Elektronendonoren. Es gibt somit eine optimale Elektronenkonzentration, um sowohl die elektronische Leitfähigkeit als auch die optische Transmission zu maximieren. ITO sieht eine umfangreiche Anwendung als dünne transparente Elektroden für Solarzellen und für Flüssigkristallanzeigen, wie sie in Laptop-Computerbildschirmen verwendet werden. ITO wird auch als Dünnschichtwiderstand in integrierten Schaltkreisen eingesetzt. Für diese Anwendungen wird es durch Standard-Dünnschichtabscheidung und photolithographische Techniken angewendet.