Ledande keramik, avancerade industriella material som på grund av modifieringar i sin struktur fungerar som elektriska ledare.
Förutom de välkända fysiska egenskaperna hos keramiska material - hårdhet, tryckhållfasthet, sprödhet - finns det egenskaperna för elektrisk resistivitet. De flesta keramiker motstår flödet av elektrisk ström, och av detta skäl har keramiska material som porslin traditionellt gjorts till elektriska isolatorer. Vissa keramik är emellertid utmärkta elektriska ledare. De flesta av dessa ledare är avancerad keramik, moderna material vars egenskaper modifieras genom exakt kontroll över deras tillverkning från pulver till produkter. Egenskaperna och tillverkningen av avancerad keramik beskrivs i artikeln avancerad keramik. Den här artikeln erbjuder en undersökning av egenskaper och tillämpningar för flera elektriskt ledande avancerade keramik.
Orsakerna till resistivitet i de flesta keramik beskrivs i artikelns keramiska sammansättning och egenskaper. I denna artikel kan orsaken till konduktivitet i keramik förklaras kort. Elektrisk konduktivitet i keramik, som i de flesta material, är av två typer: elektronisk och jonisk. Elektronisk ledning är ledningen av fria elektroner genom ett material. I keramik tillåter inte jonbindningarna som håller atomerna samman fria elektroner. I vissa fall kan emellertid föroreningar med olika valens (det vill säga inneha olika antal bindningselektroner) inkluderas i materialet, och dessa föroreningar kan fungera som givare eller acceptorer av elektroner. I andra fall kan övergångsmetaller eller sällsynta jordartselement med varierande valens inkluderas; dessa föroreningar kan fungera som centra för polaroner - arter av elektroner som skapar små regioner med lokal polarisering när de rör sig från atom till atom. Elektroniskt ledande keramik används som motstånd, elektroder och värmeelement.
Jonisk ledning består av överföring av joner (atomer med positiv eller negativ laddning) från en plats till en annan via punktdefekter som kallas vakanser i kristallgitteret. Vid normala omgivningstemperaturer sker mycket liten jonhoppning, eftersom atomerna har relativt låga energitillstånd. Vid höga temperaturer blir emellertid lediga platser mobila, och vissa keramiker visar vad som kallas snabb jonledning. Dessa keramik är särskilt användbara i gassensorer, bränsleceller och batterier.
Tjockfilms- och tunnfilmsmotstånd och elektroder
Semimetalliska keramiska ledare har de högsta konduktiviteterna för alla utom superledande keramik (beskrivs nedan). Exempel på halvmetallisk keramer är blyoxid (PbO), ruteniumdioxid (RuO 2), vismut ruthenate (Bi 2 Ru 2 O 7), och vismut iridate (Bi 2 Ir 2 O 7). Liksom metaller har dessa material överlappande elektronenergiband och är därför utmärkta elektroniska ledare. De används som "bläck" för skärmutskriftsmotstånd i tjockfilms mikrokretsar. Färger är pulveriserad ledare och glasyrpartiklar dispergerade i lämpliga organiska material, vilket ger de flödesegenskaper som är nödvändiga för skärmtryck. Vid avfyrningen bränner de organiska ögonen ut när glasyren säkras. Genom att variera mängden ledarpartiklar är det möjligt att producera stora variationer i motståndet hos tjocka filmer.
Keramik baserad på blandningar av indiumoxid (I 2 O 3) och tennoxid (SnO 2) - hänvisas till inom elektronikindustrin som indiumtinoxid (ITO) - är enastående elektroniska ledare, och de har den fördelen att de är optiskt transparenta. Konduktivitet och transparens uppstår genom kombinationen av ett stort bandgap och införlivandet av tillräckliga elektrondonatorer. Det finns således en optimal elektronkoncentration för att maximera både elektronisk konduktivitet och optisk transmission. ITO ser omfattande applikationer som tunna transparenta elektroder för solceller och för flytande kristallskärmar som de som används på bärbara datorskärmar. ITO används också som tunnfilmsmotstånd i integrerade kretsar. För dessa applikationer tillämpas den med vanlig tunnfilmavsättning och fotolitografiska tekniker.
