Ceramica conduttiva

Ceramica conduttiva, materiali industriali avanzati che, a causa di modifiche nella loro struttura, fungono da conduttori elettrici.

Oltre alle ben note proprietà fisiche dei materiali ceramici - durezza, resistenza alla compressione, fragilità - esiste la proprietà della resistività elettrica. La maggior parte delle ceramiche resistono al flusso di corrente elettrica e per questo motivo i materiali ceramici come la porcellana sono stati tradizionalmente trasformati in isolanti elettrici. Alcune ceramiche, tuttavia, sono eccellenti conduttori di elettricità. La maggior parte di questi conduttori sono ceramiche avanzate, materiali moderni le cui proprietà vengono modificate attraverso un controllo preciso sulla loro fabbricazione dalle polveri ai prodotti. Le proprietà e la fabbricazione di ceramiche avanzate sono descritte nell'articolo ceramiche avanzate. Questo articolo offre una panoramica delle proprietà e delle applicazioni di diverse ceramiche avanzate elettricamente conduttive.

Le cause della resistività nella maggior parte delle ceramiche sono descritte nell'articolo composizione e proprietà ceramiche. Ai fini di questo articolo, le origini della conducibilità in ceramica possono essere spiegate brevemente. La conduttività elettrica in ceramica, come nella maggior parte dei materiali, è di due tipi: elettronica e ionica. La conduzione elettronica è il passaggio di elettroni liberi attraverso un materiale. In ceramica i legami ionici che tengono insieme gli atomi non consentono elettroni liberi. Tuttavia, in alcuni casi possono essere incluse nel materiale impurità di diversa valenza (ovvero possedere un numero diverso di elettroni di legame) e queste impurità possono fungere da donatori o accettatori di elettroni. In altri casi possono essere inclusi metalli di transizione o elementi di terre rare di varia valenza; queste impurità possono fungere da centri per i polaroni, specie di elettroni che creano piccole regioni di polarizzazione locale mentre si spostano da un atomo all'altro. Le ceramiche elettricamente conduttive vengono utilizzate come resistori, elettrodi ed elementi riscaldanti.

La conduzione ionica consiste nel transito di ioni (atomi di carica positiva o negativa) da un sito ad un altro attraverso difetti puntuali chiamati posti liberi nel reticolo cristallino. A temperature ambiente normali si verifica una salatura ionica minima, poiché gli atomi si trovano in stati di energia relativamente bassi. Ad alte temperature, tuttavia, i posti vacanti diventano mobili e alcune ceramiche mostrano quella che è nota come conduzione ionica rapida. Queste ceramiche sono particolarmente utili in sensori di gas, celle a combustibile e batterie.

Resistori ed elettrodi a film spesso e a film sottile

I conduttori di ceramica semimetallici hanno la più alta conduttività di tutte le ceramiche tranne quelle superconduttive (descritte di seguito). Esempi di ceramiche semimetalliche sono l'ossido di piombo (PbO), il biossido di rutenio (RuO ₂), il bismuto ruthenate (Bi ₂ Ru ₂ O ₇) e il bismuto iridato (Bi ₂ Ir ₂ O ₇). Come i metalli, questi materiali hanno bande di energia elettronica sovrapposte e sono quindi eccellenti conduttori elettronici. Sono usati come "inchiostri" per resistori serigrafici in microcircuiti a film spesso. Gli inchiostri sono conduttori polverizzati e particelle di smalto dispersi in sostanze organiche idonee, che conferiscono le proprietà di flusso necessarie per la serigrafia. Al fuoco, i prodotti organici si esauriscono quando gli smalti si fondono. Variando la quantità di particelle di conduttore, è possibile produrre ampie variazioni nella resistenza di film spessi.

Le ceramiche a base di miscele di ossido di indio (In ₂ O ₃) e ossido di stagno (SnO ₂) —nominate nell'industria elettronica come ossido di indio-stagno (ITO) —sono eccellenti conduttori elettronici e hanno l'ulteriore virtù di essere otticamente trasparenti. Conduttività e trasparenza derivano dalla combinazione di un ampio gap di banda e dall'incorporazione di donatori di elettroni sufficienti. Esiste quindi una concentrazione di elettroni ottimale per massimizzare sia la conduttività elettronica che la trasmissione ottica. ITO vede un'ampia applicazione come sottili elettrodi trasparenti per celle solari e display a cristalli liquidi come quelli impiegati negli schermi dei computer portatili. ITO è anche impiegato come resistenza a film sottile nei circuiti integrati. Per queste applicazioni viene applicato mediante tecniche standard di deposizione a film sottile e fotolitografia.