Geleidende keramiek, geavanceerde industriële materialen die door veranderingen in hun structuur dienen als elektrische geleiders.
Naast de bekende fysische eigenschappen van keramische materialen - hardheid, druksterkte, broosheid - is er de eigenschap van elektrische weerstand. De meeste keramiek is bestand tegen de stroom van elektrische stroom en om deze reden zijn keramische materialen zoals porselein traditioneel gemaakt tot elektrische isolatoren. Sommige keramiek zijn echter uitstekende geleiders van elektriciteit. De meeste van deze geleiders zijn geavanceerde keramiek, moderne materialen waarvan de eigenschappen worden gewijzigd door nauwkeurige controle over hun fabricage van poeders tot producten. De eigenschappen en fabricage van geavanceerde keramiek worden beschreven in het artikel geavanceerde keramiek. Dit artikel biedt een overzicht van de eigenschappen en toepassingen van verschillende elektrisch geleidende geavanceerde keramiek.
De oorzaken van resistiviteit bij de meeste keramiek worden beschreven in het artikel keramische samenstelling en eigenschappen. Voor de doeleinden van dit artikel kan de oorsprong van geleidbaarheid in keramiek kort worden uitgelegd. Elektrische geleidbaarheid in keramiek, zoals in de meeste materialen, is van twee soorten: elektronisch en ionisch. Elektronische geleiding is de doorgang van vrije elektronen door een materiaal. In keramiek laten de ionische bindingen die de atomen bij elkaar houden geen vrije elektronen toe. In sommige gevallen kunnen echter onzuiverheden met een verschillende valentie (dat wil zeggen met verschillende aantallen bindingselektronen) in het materiaal worden opgenomen, en deze onzuiverheden kunnen als donors of acceptoren van elektronen werken. In andere gevallen kunnen overgangsmetalen of zeldzame aardmetalen met verschillende valentie worden opgenomen; deze onzuiverheden kunnen fungeren als centra voor polaronen - soorten elektronen die kleine gebieden van lokale polarisatie creëren terwijl ze van atoom naar atoom bewegen. Elektronisch geleidende keramiek wordt gebruikt als weerstanden, elektroden en verwarmingselementen.
Ionische geleiding bestaat uit de doorvoer van ionen (atomen met positieve of negatieve lading) van de ene locatie naar de andere via puntdefecten die vacatures in het kristalrooster worden genoemd. Bij normale omgevingstemperaturen vindt er zeer weinig ionenhoppen plaats, omdat de atomen een relatief lage energietoestand hebben. Bij hoge temperaturen worden vacatures echter mobiel en vertonen bepaalde keramiek wat bekend staat als snelle ionische geleiding. Deze keramiek is vooral handig in gassensoren, brandstofcellen en batterijen.
Dikke film en dunne film weerstanden en elektroden
Halfmetalen keramische geleiders hebben de hoogste geleidbaarheid van alle behalve supergeleidende keramiek (hieronder beschreven). Voorbeelden van halfmetalenoxiden keramiek loodoxide (PbO), ruthenium dioxide (RuO 2) bismut ruthenate (Bi 2 Ru 2 O 7) en bismuth iridate (Bi 2 Ir 2 O 7). Net als metalen hebben deze materialen overlappende elektronenenergiebanden en zijn daarom uitstekende elektronische geleiders. Ze worden gebruikt als "inkten" voor zeefdrukweerstanden in dikfilm microschakelingen. Inkten zijn verpulverde geleider en glazuurdeeltjes verspreid in geschikte organische stoffen, die de stromingseigenschappen verlenen die nodig zijn voor zeefdruk. Bij het bakken branden de organische stoffen op terwijl de glazuren samensmelten. Door de hoeveelheid geleidendeeltjes te variëren, is het mogelijk om grote variaties in de weerstand van dikke films te produceren.
Keramiek op basis van mengsels van indiumoxide (In 2 O 3) en tinoxide (SnO 2) - in de elektronica-industrie aangeduid als indiumtinoxide (ITO) - zijn uitstekende elektronische geleiders en ze hebben het extra voordeel dat ze optisch transparant zijn. Geleidbaarheid en transparantie ontstaan door de combinatie van een grote band gap en de opname van voldoende elektronendonoren. Er is dus een optimale elektronenconcentratie om zowel de elektronische geleidbaarheid als de optische transmissie te maximaliseren. ITO ziet uitgebreide toepassing als dunne transparante elektroden voor zonnecellen en voor vloeibare-kristaldisplays zoals die worden gebruikt in laptop-computerschermen. ITO wordt ook gebruikt als dunne-filmweerstand in geïntegreerde schakelingen. Voor deze toepassingen wordt het aangebracht door middel van standaard dunne-film depositie en fotolithografische technieken.
