Céramiques conductrices, matériaux industriels avancés qui, en raison de modifications de leur structure, servent de conducteurs électriques.
En plus des propriétés physiques bien connues des matériaux céramiques - dureté, résistance à la compression, fragilité - il y a la propriété de la résistivité électrique. La plupart des céramiques résistent à la circulation du courant électrique, et pour cette raison, les matériaux céramiques tels que la porcelaine sont traditionnellement transformés en isolants électriques. Cependant, certaines céramiques sont d'excellents conducteurs d'électricité. La plupart de ces conducteurs sont des céramiques avancées, des matériaux modernes dont les propriétés sont modifiées par un contrôle précis de leur fabrication des poudres en produits. Les propriétés et la fabrication des céramiques avancées sont décrites dans l'article céramiques avancées. Cet article propose un aperçu des propriétés et des applications de plusieurs céramiques avancées électriquement conductrices.
Les causes de la résistivité dans la plupart des céramiques sont décrites dans la composition et les propriétés de la céramique de l'article. Aux fins du présent article, les origines de la conductivité en céramique peuvent être expliquées brièvement. La conductivité électrique en céramique, comme dans la plupart des matériaux, est de deux types: électronique et ionique. La conduction électronique est le passage d'électrons libres à travers un matériau. En céramique, les liaisons ioniques qui maintiennent les atomes ensemble ne permettent pas la libération d'électrons. Cependant, dans certains cas, des impuretés de valence différente (c'est-à-dire possédant un nombre différent d'électrons de liaison) peuvent être incluses dans le matériau, et ces impuretés peuvent agir en tant que donneurs ou accepteurs d'électrons. Dans d'autres cas, des métaux de transition ou des éléments de terres rares de valence variable peuvent être inclus; ces impuretés peuvent agir comme des centres de polarons - des espèces d'électrons qui créent de petites régions de polarisation locale en se déplaçant d'atome en atome. Des céramiques électriquement conductrices sont utilisées comme résistances, électrodes et éléments chauffants.
La conduction ionique consiste en le transit d'ions (atomes de charge positive ou négative) d'un site à un autre via des défauts ponctuels appelés lacunes dans le réseau cristallin. Aux températures ambiantes normales, il y a très peu de saut ionique, car les atomes sont à des états d'énergie relativement bas. À des températures élevées, cependant, les lacunes deviennent mobiles et certaines céramiques présentent ce que l'on appelle la conduction ionique rapide. Ces céramiques sont particulièrement utiles dans les capteurs de gaz, les piles à combustible et les batteries.
Résistances et électrodes à couches épaisses et à couches minces
Les conducteurs céramiques semi-métalliques ont les conductivités les plus élevées de toutes les céramiques sauf les supraconducteurs (décrites ci-dessous). Des exemples de céramiques semi-métalliques sont l'oxyde de plomb (PbO), le dioxyde de ruthénium (RuO 2), le ruthénate de bismuth (Bi 2 Ru 2 O 7) et l'iridate de bismuth (Bi 2 Ir 2 O 7). Comme les métaux, ces matériaux ont des bandes d'énergie électronique qui se chevauchent et sont donc d'excellents conducteurs électroniques. Ils sont utilisés comme «encres» pour la sérigraphie de résistances en microcircuits à couches épaisses. Les encres sont des particules de conducteur et de glaçure pulvérisées dispersées dans des matières organiques appropriées, qui confèrent les propriétés d'écoulement nécessaires à la sérigraphie. Lors de la cuisson, les matières organiques brûlent lorsque les glaçures fusionnent. En variant la quantité de particules conductrices, il est possible de produire de grandes variations dans la résistance des films épais.
Les céramiques à base de mélanges d'oxyde d'indium (In 2 O 3) et d'oxyde d'étain (SnO 2) - appelées oxyde d'indium et d'étain (ITO) dans l'industrie électronique - sont des conducteurs électroniques exceptionnels, et elles ont en outre la vertu d'être optiquement transparentes.. La conductivité et la transparence résultent de la combinaison d'une large bande interdite et de l'incorporation de donneurs d'électrons suffisants. Il y a donc une concentration d'électrons optimale pour maximiser à la fois la conductivité électronique et la transmission optique. ITO voit une application étendue comme des électrodes transparentes minces pour les cellules solaires et pour les écrans à cristaux liquides tels que ceux utilisés dans les écrans d'ordinateur portable. ITO est également utilisé comme résistance à couche mince dans les circuits intégrés. Pour ces applications, il est appliqué par des techniques classiques de dépôt de couches minces et de photolithographie.
