Johtava keramiikka, edistykselliset teollisuusmateriaalit, jotka rakenteensa muutosten vuoksi toimivat sähköjohtimina.
Keraamisten materiaalien tunnettujen fysikaalisten ominaisuuksien - kovuuden, puristuslujuuden, haurauden - lisäksi on myös sähkövastus. Useimmat keramiikat vastustavat sähkövirran virtausta, ja tästä syystä keraamiset materiaalit, kuten posliini, on perinteisesti valmistettu sähköeristeiksi. Jotkut keramiikat ovat kuitenkin erinomaisia sähkönjohtajia. Suurin osa näistä johtimista on kehittynyttä keramiikkaa, nykyaikaisia materiaaleja, joiden ominaisuuksia muutetaan säätämällä tarkkaa hallintaa niiden valmistuksesta jauheista tuotteiksi. Kehittyneen keramiikan ominaisuudet ja valmistus kuvataan artikkelissa edistynyt keramiikka. Tämä artikkeli tarjoaa katsauksen useiden sähköä johtavien edistyneiden keraamien ominaisuuksista ja sovelluksista.
Resistiivisyyden syyt useimmissa keramiikoissa on kuvattu artikkelin keraamisessa koostumuksessa ja ominaisuuksissa. Tämän artikkelin tarkoituksia varten keramiikan johtavuuden alkuperä voidaan selittää lyhyesti. Keramiikan, kuten useimpien materiaalien, sähkönjohtavuus on kahta tyyppiä: elektroninen ja ioninen. Elektroninen johtavuus on vapaiden elektronien kulkua materiaalin läpi. Keramiikassa ionit, jotka pitävät atomeja yhdessä, eivät salli vapaita elektroneja. Joissakin tapauksissa materiaaliin voi kuitenkin sisältyä epäselvyyksiä, joiden valenssi on erilainen (ts. Joilla on eri lukumäärää sidoselektroneja), ja nämä epäpuhtaudet voivat toimia elektronien luovuttajina tai hyväksyjinä. Muissa tapauksissa siirtymämetallit tai harvinaisten maametallien elementit, joiden valenssi vaihtelee, voivat olla mukana; nämä epäpuhtaudet voivat toimia polaronien keskuksina - elektronilajeina, jotka luovat pienet paikallisen polarisaation alueet liikkuessa atomista atomiin. Sähköisesti johtavaa keramiikkaa käytetään vastuksina, elektrodina ja lämmityselementtinä.
Ioninen johtavuus koostuu ionien (positiivisen tai negatiivisen varauksen atomien) siirtymisestä kohdasta toiseen kidehilan pistevaurioiden, joita kutsutaan avoimiksi paikoiksi, kautta. Normaalissa ympäristön lämpötilassa tapahtuu hyvin vähän ioninhyppelyä, koska atomit ovat suhteellisen alhaisissa energiatiloissa. Korkeissa lämpötiloissa avoimista paikoista tulee kuitenkin liikkuvia, ja tietyillä keramiikoilla on niin kutsuttu nopea ionijohtavuus. Nämä keramiikat ovat erityisen hyödyllisiä kaasuantureissa, polttokennoissa ja akkuissa.
Paksu- ja ohutkalvovastukset ja elektrodit
Puolimetallisilla keraamisilla johtimilla on suurin johtavuus kaikista paitsi suprajohtavista keraamisista (kuvattu alla). Esimerkkejä puolimetallioksidit keramiikka ovat lyijyoksidia (PbO), ruteniumdioksidi (RuO 2), vismutti ruteenin (Bi 2 Ru 2 O 7), ja vismutti iridate (Bi 2 Ir 2 O 7). Kuten metallit, myös näillä materiaaleilla on päällekkäisiä elektronien energiakaistoja ja ne ovat siksi erinomaisia elektronisia johtimia. Niitä käytetään ”musteina” silkkipainovastuksissa paksukalvoisissa mikroskoodeissa. Musteet ovat jauhemaisia johdin- ja lasitehiukkasia, jotka on dispergoitu sopiviin orgaanisiin aineisiin, jotka antavat silkkipainantaan tarvittavat virtausominaisuudet. Tulipalossa orgaaniset aineet palavat, kun lasit sulautuvat. Vaihtelemalla johdinhiukkasten määrää on mahdollista tuottaa suuria variaatioita paksien kalvojen kestävyydessä.
Keramiikat, jotka perustuvat indiumoksidin (in 2 O 3) ja tinaoksidin (SnO 2) seoksiin - joita elektroniikkateollisuudessa kutsutaan indium tinaoksidiksi (ITO) - ovat erinomaisia elektronisia johtimia, ja niillä on lisäarvo, että ne ovat optisesti läpinäkyviä. Johtavuus ja läpinäkyvyys johtuvat suuren kaistavälin yhdistämisestä ja riittävien elektronidonorien sisällyttämisestä. Siten on optimaalinen elektronikonsentraatio sekä elektronisen johtavuuden että optisen siirron maksimoimiseksi. ITO: n mielestä laaja sovellus on ohut läpinäkyvä elektrodi aurinkokennoille ja nestekidenäytöille, kuten esimerkiksi kannettavien tietokoneiden näytöissä käytettäville. ITO: ta käytetään myös ohutkalvovastuksena integroiduissa piireissä. Näihin sovelluksiin se soveltuu tavanomaisilla ohutkalvokerrostuksella ja fotolitografisilla tekniikoilla.
