某些陶瓷材料在一定條件(如溫度、壓力)下具有與液體(強電解質(zhì))相似的離子電導(dǎo)性能,具有電子(或空穴)電導(dǎo)或離子電導(dǎo)的陶瓷材料叫做導(dǎo)電陶瓷。這類陶瓷大多數(shù)屬于固體電解質(zhì),也稱為快離子導(dǎo)體或快離子陶瓷。
實際上,每一種快離子導(dǎo)體都有一種起主導(dǎo)作用的遷移離子,因此,具有很好的離子選擇性。由于離子傳導(dǎo)對周圍物質(zhì)的活度(濃度或分壓)、溫度、濕度、壓力的敏感性,可能利用快離子導(dǎo)體制作多種固態(tài)離子選擇電極,氣(液)敏、熱敏、濕敏和壓敏傳感器,以及高純物質(zhì)提取裝置;利用快離子導(dǎo)體內(nèi)某些離子的氧化-還原著色效應(yīng)可制作著色電色顯示器;因它具有充、放電特性,可以制作庫侖計、電阻器、電化學(xué)開關(guān)、電積分器、記憶元件等多種離子器件。
快離子導(dǎo)體材料,按其導(dǎo)電離子的類型,可分為陽離子導(dǎo)體和陰離子導(dǎo)體兩大類。前者有銀、銅離子導(dǎo)體,鈉離子導(dǎo)體(如β-Al2O3型),鋰離子導(dǎo)體(如β-LiAlSiO4、Li-β-Al2O3等),氫離子導(dǎo)體(如H+-β-Al2O3、H3O+-β-Al2O3、NH+β-AI2O3);后者有氧離子導(dǎo)體(如螢石型結(jié)構(gòu)氧化物ZrO2、HfO2、ThO2、CeO2等)和鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)化合物(如LaAIO3、CaTiO3、SrTiO3、LaCrO3等),以及氟離子導(dǎo)體(如CaF2、PbF2等)等。
在這里主要介紹薄膜歐姆電阻和厚膜歐姆電阻。
用于電器或電子器件的大多數(shù)電阻必須具有歐姆性及小的電阻溫度系數(shù)。電子儀器上需要的電阻主要是在10^3~10^8Ω的范圍,而電性能合適的材料制作長110mm電阻為105Ω的電阻器,其截面積為10-8c㎡,相當于1μm厚、1μm寬的條狀帶。要想獲得這種尺寸的材料,實際上是比較困難的,但可以采用下面方法來達到:
①在絕緣基體上鍍上非常薄的導(dǎo)電層,通過適當?shù)母g獲得大的長寬比。
②用絕緣相摻入導(dǎo)電材料。
上述方法又常常結(jié)合起來使用以達到預(yù)期的效果。
(1)薄膜歐姆電阻導(dǎo)電陶瓷
一般10nm厚度的薄膜,比較容易在真空室中用蒸發(fā)、濺射或化學(xué)氣相沉積(CVD)等方形成。很多金屬及合金,如Al、Ag、Au及Ni-Cr合金等,可以在熔融狀態(tài)將其蒸發(fā)并凝聚到
適宜的基體上。將電阻率為10^(-6)Ω·m的Ni-Cr合金沉積成薄膜的形式,為高電阻的電阻器提供了基礎(chǔ)。
氧化物的薄膜常采用“濺射”方法形成。這種方法是在反應(yīng)室中充滿約1Pa的氬氣,其中人少量的氧氣。需要濺射的氧化物固態(tài)靶、固定在一個金屬板上。需要沉積薄膜的基體也安裝在金屬板上。在兩個板之間加以高頻(約1MHz)高壓(約5kv)場,產(chǎn)生等離子體。氣態(tài)離子轟擊靶,并從其表面分離出離子或分子束,穿過等離子體并沉積在基體上。如用90In2O3-10SnO2通過濺射方法沉積制成透明的導(dǎo)電薄膜。
有的采用化學(xué)氣相沉積法來制備,如銦錫氧化物即ITO薄膜電阻器,是在可控溫度的空氣中將玻璃條(有時也用滑石條),加熱到700℃,然后在幾秒內(nèi)引入SnCl4和SbCl5的混合物。在試條的表面與水發(fā)生反應(yīng),以形成牢固粘在基體上的混合物薄膜。Sb使SnO2的電阻率降低,并將其電阻溫度系數(shù)控制到接近于零;SnO2僅可提供高的負電阻系數(shù),沉積物中氧離子可有一小部分被Cl-離子取代,這也降低電阻率,因為CI-離子比O2-低,因而由導(dǎo)帶中的一個電子補充。
在實際中,穿過電阻層,在條形圓柱基體上面刻螺紋來增大長寬比,當阻值達到時自動停止刻紋,這樣電阻率能保持在公差范圍內(nèi)。
1. 歐姆電阻導(dǎo)電陶瓷