Elektrisch leitf¤hige, keramische Werkstoffe

  • View
    39

  • Download
    0

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Elektrisch leitfähige, keramische Werkstoffe. K. Conder kazimierz.conder @psi.ch Lab. for Developments and Methods Paul Scherrer Institut, Villigen PSI. Paul Scherrer Institut, Villigen. Forschungs-Themen. Mensch und Gesundheit. Winzige Strukturen und neue Materialien. - PowerPoint PPT Presentation

Text of Elektrisch leitf¤hige, keramische Werkstoffe

  • Elektrisch leitfhige, keramische WerkstoffeK. Conder kazimierz.conder@psi.chLab. for Developments and MethodsPaul Scherrer Institut, Villigen PSI

  • Paul Scherrer Institut, Villigen

  • Winzige Strukturen und neue MaterialienDas Allerkleinste und das AllergrssteAllgemeine EnergieDie Neutronenquelle SINQNukleare Energie und SicherheitSLS: Die Synchrotron Lichtquelle SchweizMensch und GesundheitDer Protonen- beschleunigerMyonen als Mikro- sondenForschungs-Themen

  • Neutronenquelle SINQDurch den Aufprall des Protonenstrahls auf das Bleitarget werden Neutronen freigesetzt (Spallation).

  • KennzahlenPSI-Globalbudget 222Mio.CHFDrittmittel 28Mio.CHFMitarbeiterInnen 1150 davon Drittmittel-finanziert 250Doktorandinnen und Doktoranden am PSI ca. 240 davon ber das PSI finanziert 140Lehrlinge 70Externe BenutzerInnenca. 800PSI-MitarbeiterInnen mit Lehrverpflichtungen an HS und HTLca. 50Ausbildung Strahlenschutzschule ca. 3000

  • Elektrische Leitfhigkeit ILeitfhigkeit S/m=-1/mIn der Regel bestimmt das ohmsche Gesetz die Leitfhigkeit im Volumen des MaterialsElektrische Phnomene an den Grenzflchen zeigen hufig nicht lineare Strom-Spannungs-Abhngigkeit.Keramische Werkstoffe knnen perfekte Isolatoren aber auch Supraleiter sein. Als Ladungstrger dienen Elektronen, Lcher aber auch Ionen.

  • Elektrische Leitfhigkeit II

  • Elektrische Leitfhigkeit III

  • Metalle, Halbleiter, IsolatorenEin Material mit einer Bandlcke von >2.5eV ist ein Isolator.Die Leitfhigkeit von Halbleiter kann durch eine Dotierung (extrinsisch) erhht werden. Durch die Dotierung werden Energieniveaus innerhalb der Bandlcke gebildet und besetzt.

  • Die BandlckeIn Isolatoren die Bandlcke ist so gross das ein Licht die Elektronen nicht anregen kann. Das Licht wird nicht absorbiert und die Isolatoren sind meistens durchsichtig oder weiss (Korngrenzen)Die Halbleiter sind farbig, weil ein Licht mit bestimmter Farbe (und deshalb Energie) absorbiert werden kann (die Valenzelektronen werden ber die Bandlcke angeregt)Die Metalle sind schwarz oder nicht durchsichtig, weil praktisch ein Licht mit jeder Wellenlnge absorbiert werden kann.Die Eigenschaften (z.B. die Leitfhigkeit und die Farbe) des Materials werden von der Breite der Energiebandlcke bestimmt!

  • Metallische Leiter Rutheniumoxid (RuO2), Wolframbronzen MxWO3 (M= K, Na; x
  • Was ist Strom mikroskopisch? ILegt man dem Leiter eine Spannung U an, so werden elektrische Ladungen mit der Geschwindigkeit transportiert. Der Strom ist der Ladungstransport pro Zeiteinheit. Fehler in der Gl. 7.1

  • Was ist Strom mikroskopisch? II

  • Die Ionen knnen zwei unterschiedlichen Krften ausgeliefert werden. Als elektrisch geladene Teilchen durch Gradienten des elektrischen Potentials, als chemische Spezies werden sie durch Konzentrationsgradienten bewegt.Nehmen wir an, wir haben eine bestimmte Konzentration von Silberionen in einem Stoff. Ohne jegliches Potential (Chemisches oder Elektrisches) entsteht kein Konzentrationsgradient.Legt man ein elektrisches Potential an, so werden die Ag+ Kationen in die Richtung der Minuselektrode angezogen. Es entsteht ein Konzentrationsgradient.Auf Grund der Diffusion entsteht in der umgekehrten Richtung ein Gegenstrom der Ionen und der Gleichgewicht der Strme Nel=Nch wird erreicht.

  • Treibende Krfte II

  • Nernst-Einstein Gleichung

  • The Nernst-Einstein equation indicates that the ratio /D for a given material varies only with temperature. Calculate /D for oxygen ions in Zr0.8Y0.2O1.9 at 800C.

  • The Nernst-Einstein equation indicates that the ratio /D for a given material varies only with temperature. Calculate /D for oxygen ions in Zr0.8Y0.2O1.9 at 800C.

  • Simpson and Carter (J. Am. Ceram. Soc. 49 (1966) 139) measured the self diffusion coefficient for oxygen in Zr0.85Ca0.15O1.85 and found it to be DO = 2.010-7 cm2/s at 1100C. Calculate the electrical mobility and conductivity of oxygen ions based on this. Assume density of Zr0.85Ca0.15O1.85 5.7g/cm3.

  • SI

  • Simpson and Carter (J. Am. Ceram. Soc. 49 (1966) 139) measured the self diffusion coefficient for oxygen in Zr0.85Ca0.15O1.85 and found it to be DO = 2.010-7 cm2/s at 1100C. Calculate the electrical mobility and conductivity of oxygen ions based on this. Assume density of Zr0.85Ca0.15O1.85 5.7g/cm3.

  • Electrical conductivityZahl der Zr0.85Ca0.15O1.85-Einheiten per m3

  • Bndermodell der FestkrperWenn kein Gitter gebildet wird, die Elektronen in den Atomen nehmen die gleichen Energieniveaus an.Die Energieniveaus der Elektronen im Gitter bilden die Energiebnder. Diese bestehen aus sehr vielen einander naheliegenden Energieniveaus von denen jedes nach dem Pauli-Prinzip durch zwei Elektronen besetzt werden kann.

  • Bndermodell. FermieenergieDie Grenzenergie zwischen den am absoluten Nullpunkt (0 K) besetzten und nicht besetzten Zustnden wird als Fermi-Energie, Ef bezeichnet.Mit steigender Temperatur knnen die Elektronen auch die hhere Energiezustnde annehmen. Die Fermi-Energie bleibt dabei konstant. Die Lage des Ferminiveaus bezglich der Valenz- und Leitungsbandkante bestimmt ob es sich um einen Metall, Halbleiter oder Isolator handelt.

  • Bndermodell. MetalleEf - Fermieenergie.Die Grenzenergie zwischen den besetzten und unbesetzten Energiezustnden (bei 0 K).Ein Metal mit unvollstndig besetzten LeitungsbandEin Metal mit BandberlappungEin Isolator (EG>2.5eV)

  • Bndermodell- HalbleiterEin Halbleiter kT
  • For intrinsic silicon, the room-temperature electrical conductivity is 410-4 -1m-1; the electron and hole mobilities are, respectively, 0.14 and 0.048 m2V-1s-1. Compute the electron and hole concentrations at room temperature.

  • For intrinsic silicon, the room-temperature electrical conductivity is 410-4 -1m-1; the electron and hole mobilities are, respectively, 0.14 and 0.048 m2V-1s-1. Compute the electron and hole concentrations at room temperature.

  • Temperature dependence:Eg=1.14 eV energy gap, k=8.6310-5 eV/K

    (mole fractions) Calculate concentration of the charge carriers in intrinsic Si in a function of temperature.

    Temperature (K)KgNe=Nh3007001000

  • Intrinsic Silicon

    Temperature dependence:Eg=1.14 eV energy gap, k=8.6310-5 eV/K

    (mole fractions)

    Temperature (K)KgNe=Nh3001.8310-241.3510-127001000

  • Metallisch leitende KeramikenBenutzt in Systemen, bei denen aufgrund von Umgebungsbedingungen (Temperatur, Medien) keine Metalle verwendet werden knnen. Z.B. in Hochtemperatur-Brennstoffzellen, bei der metallisch leitende Oxide unter hohen Temperaturen in Sauerstoff-Atmosphre verwendet werden.Leitfhigkeit von 108S/m (BaPb1xBixO3) bis 102S/m (SnO2-In2O3)

  • Defektchemie (Halbleiter und Ionenleiter)Punktdefekte die in Festkrpern existieren haben eine grosse Bedeutung fr die elektrischen Eigenschaften von Halbleitern und den ionischen Leitern.

    Defektchemie - Thermodynamik der Punktdefekten im Kristallgitter

  • Kristallfehler Schottky- und Frenkel-Defekte in einem kovalenten Kristall

  • Fehlordnungsarten im KristallgitterFrenkel-FehlordnungKationen auf ZwischengitterpltzenSchottky-FehlordnungLeerstellen im Kationen- und AnionengitterAnti-Frenkel-FehlordnungAnionen auf Zwischengitterpltzen und Leerstellen in AnionengitterAnti-Schottky-FehlordnungKationen und Anionen auf Zwischenpltzen (Experimentell nicht bewiesen)Elektroneutralitt- Ladungen von den Kationen- und Anionen-Untergitter mssen sich gegenseitig kompensieren

  • Fehlordnungsarten im Kristallgitter IIKationendefizitAnionendefizitKationenberschussAnionenberschussElektroneutralitt- meist durch hhere oder tiefere Oxidationsstufen der Kationen

  • F Center electron trapped in anion vacancyAbsorption in visible lightFarbzentrenParamagnetische Eigenschaften- (freie Spins)

  • What is the number of the oxygen vacancies in the unit cell of Zr0.8Y0.2O1.9? Assuming the lattice parameter of (cubic) YSZ is 0.54 nm, calculate a concentration of the oxygen vacancies (number per m3).

  • In Zr0.8Y0.2O1.9, how many oxygen vacancies are there per unit cell? If the lattice parameter of (cubic) YSZ is 0.54 nm, calculate the density of vacancies (number per m3)Vc =0.54310-27m3FormulaVO per unit cell

  • Punktdefekte sind die Bausteine der Festkrperstruktur bei Gleichgewicht!Berechnung der Konzentration von Leerstellen in einem Stoff als Funktion der Temperatur

    D.M.SmythThe Defect Chemistry of Metal Oxides Oxford Univ. Press 2000Gleichgewicht bei konstanten DruckMinimum der Gibbs Freie EnergieS hat zwei Komponente: Mischungsentropie SC und Schwingungsentropie SV (nderung der Schwingungen der Atome bei Einfhrung Leerstellen)

  • Die Entropie ist ein Mass fr das statistische Gewicht W ; je grsser W, desto hher auchdie Entropie S

  • Mischungsentropie SC

  • nderung der freien Gibbs Energie bei einer Bildung von n Punktdefekten:Beim Gleichgewicht:Stirling-Formel:N0- Gitterstellenzahl im perfekten Kristalln- Leerstellenzahl

  • Leerstellenkonzentration hat ein besonderer Wertfr eine gegebene Temperatur und ist nicht eine variable Gre!Schwingungsentropie ist klein!

  • D.M.SmythThe Defect Chemistry of Metal Oxides Oxford Univ. Press 2000

  • Defektkonzentration n/N0 bei verschiedenen Temperaturen

    Temperatur[oC]Aktivierungsenergie eV1 2 8100310-14110-27110-108500310-7110-13810-531000110-4110-8210-321500110-3210-6210-232000610-3410-5210-18

  • Krger-Vink NotationDie Gitterionen in Kristallen besitzen eine dem Element und der Kristallstruktur entsprechende Ladung. In de