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)相似的離子電導性能,具有電子(或空穴)電導或離子電導的陶瓷材料叫做導電陶瓷。這類陶瓷大多數屬于固體電解質,也稱為快離子導體或快離子陶瓷。
實際上,每一種快離子導體都有一種起主導作用的遷移離子,因此,具有很好的離子選擇性。由于離子傳導對周圍物質的活度(濃度或分壓)、溫度、濕度、壓力的敏感性,可能利用快離子導體制作多種固態離子選擇電極,氣(液)敏、熱敏、濕敏和壓敏傳感器,以及高純物質提取裝置;利用快離子導體內某些離子的氧化-還原著色效應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、電化學開關、電積分器、記憶元件等多種離子器件。
快離子導體材料,按其導電離子的類型,可分為陽離子導體和陰離子導體兩大類。前者有銀、銅離子導體,鈉離子導體(如β-Al2O3型),鋰離子導體(如β-LiAlSiO4、Li-β-Al2O3等),氫離子導體(如H+-β-Al2O3、H3O+-β-Al2O3、NH+β-AI2O3);后者有氧離子導體(如螢石型結構氧化物ZrO2、HfO2、ThO2、CeO2等)和鈣鈦礦型結構化合物(如LaAIO3、CaTiO3、SrTiO3、LaCrO3等),以及氟離子導體(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電阻必須具有歐姆性及小的電阻溫度系數。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電層,通過適當的腐蝕獲得大的長寬比。
②用絕緣相摻入導電材料。
上述方法又常常結合起來使用以達到預期的效果。
(1)薄膜歐姆電阻導電陶瓷
一般10nm厚度的薄膜,比較容易在真空室中用蒸發、濺射或化學氣相沉積(CVD)等方形成。很多金屬及合金,如Al、Ag、Au及Ni-Cr合金等,可以在熔融狀態將其蒸發并凝聚到
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。
氧化物的薄膜常采用“濺射”方法形成。這種方法是在反應室中充滿約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,產生等離子體。氣態離子轟擊靶,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電薄膜。
有的采用化學氣相沉積法來制備,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℃,然后在幾秒內引入SnCl4和SbCl5的混合物。在試條的表面與水發生反應,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控制到接近于零;SnO2僅可提供高的負電阻系數,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。
1. 歐姆電阻導電陶瓷