8-Ker-GL Handout 2015 16
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Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der Universität des Saarlandes HANDOUT Vorlesung: Keramik-Grundlagen Elektrische und ionische Eigenschaften keramischer Werkstoffe 28.01.2016 Leitsatz: „Für die Beurteilung des elektrischen Verhaltens ist der Bandabstand zwischen Valenz- und Leitungsband von besonderer Bedeutung, weiterhin der Leitungstyp. In Abhängigkeit davon kann der elektrische Ladungstransport sowohl über Elektronen (n-Leitung), wie über Löcher (pLeitung) erfolgen. In die elektrische Leitfähigkeit geht maßgeblich die Ladungsträgerbeweglichkeit ein. Der relativ große Bandabstand bei vielen keramischen Werkstoffen führt zu geringen Dichten intrinsischer Ladungsträger [...]. Wie bei den Halbleitern kann die Dichte beweglicher Ladungsträger aber durch eine gezielte Dotierung vergrößert werden." Quelle: [GL-15], S. 18-20 Vorlesung Keramik Grundlagen, WS 2015/16, PD Dr.-Ing. Guido Falk „Keramik-Grundlagen“ "Elektrische und ionische Eigenschaften keramischer Werkstoffe“ Ziele Elektrische und ionische Eigenschaften keramischer Werkstoffe aus den festkörperphysikalischen und festkörperchemischen Grundlagen qualitativ ableiten und begründen können. ð Grundlagen zur elektrischen und ionischen Leitfähigkeit keramischer Werkstoffe herleiten können ð Struktur, Gefüge und Eigenschaften keramischer Dielektrika, linearer und nichtlinearer Widerstände sowie piezoelektrischer und pyroelektrische Keramiken herleiten und anwenden können ð Thermomechanische Versagenskriterien feuerfester Werkstoffe nennen und an Fallbeispielen bewerten können Inhalte Grundlagen elektrische und ionische Leitfähigkeit Eigenleitung, Störstellenleitung, Ionenleitung Dielektrische Keramiken Polarisationsprozesse, Isolatoren, Substrate, Kondensatoren Lineare und nichtlineare Widerstände Lineare Widerstände, NTC, Varistoren, PTC Piezoelektrische Keramiken Piezoelektrische Parameter und Werkstoffe, Anwendungen Pyroelektrische Keramiken Thermodynamik, Dynamik, Pyroelektr. Detektoren, Pyroelektrika Hochtemperatursupraleiter Kristallstrukturen, Eigenschaften, Anwendungen Vorlesung Keramik Grundlagen, WS 2015/16, PD Dr.-Ing. Guido Falk Lerntafel 1 Grundlagen elektrische und ionische Leitfähigkeit Valenz- und Leitungsband [GL-15, S. 19] Metall- Isolator-Übergänge [GL-37, S. 404] Elektronische Leitfähigkeit einiger ausgewählter Oxidkeramiken [GL-15, S. 23] Vorlesung Keramik Grundlagen, WS 2015/16, PD Dr.-Ing. Guido Falk Fehlordnungsarten von Gitteratomen im Kristallverbund: a) Frenkel-Fehlordnung, b) Schottky-Fehlordnung, c) Anti-Frenkel-Fehlordnung, d) Anti-Schottky-Fehlordnung Fehlordnungsarten von Elektronen und Ionen im Kristallverbund: a) Kationendefizit, b) Anionendefizit, c) Kationenüberschuss, d) Anionenüberschuss Kröger-Vink-Notation Vorlesung Keramik Grundlagen, WS 2015/16, PD Dr.-Ing. Guido Falk Einbau von Y 2 O 3 in ZrO 2 Reduktion von Ceroxid: Konzentration von Sauerstoffleerstellen und Ce´ Ce in reduziertem CeO 2 Fe 1-x O (FeO 1+x ), p-Typ-Halb leiter: Akzeptor-Typ-Halbleiter. (Energieverteilungsfunktion f( ε ) bei höheren Temperaturen unschärfer (gestrichelte Linie) Vorlesung Keramik Grundlagen, WS 2015/16, PD Dr.-Ing. Guido Falk TiO 2-x , Typ n-Halbleiter: Donator-Typ Halbleiter Patterson-Diagramm von Yttrium dotierten ZrO 2 : Leitfähigkeit oxidischer Halbleiter: p(O 2 )-Abhängigkeit Elektrische Leitfähigkeit keramischer Leiter im Vergleich Vorlesung Keramik Grundlagen, WS 2015/16, PD Dr.-Ing. Guido Falk Leitfähigkeit ionischer Leiter als Funktion der Temperatur Intrinsiche Ionenleiter: Mögliche Mechanismen der Kationenbewegung im NaClGitter Extrinsische Ionenleiter: Mechanismen der extrinsischen Ionenleitung Vorlesung Keramik Grundlagen, WS 2015/16, PD Dr.-Ing. Guido Falk Intrinsische Superionische Leiter, AgI Intrinsische Superionische Leiter, β -Aluminiumoxid Mögliche Migrationswege des Na + -Ions und elektrische Leitfähigkeit für β -Al 2 O 3 (Einkristalle) dotiert mit verschiedenen Me-oxiden Vorlesung Keramik Grundlagen, WS 2015/16, PD Dr.-Ing. Guido Falk Lerntafel 2 Dielektrische Keramiken Keramische Dielektrika: Die Bandlücke [GL-15, S. 336/336] Keramische Dielektrika: Typ I - Dielektrika mit Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätszahl Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätszahl einiger Gläser vom Typ I Vorlesung Keramik Grundlagen, WS 2015/16, PD Dr.-Ing. Guido Falk Keramische Dielektrika Typ II: Phasenumwandlungen in BaTiO3 und ε r - Verlauf Verschiebung des Curiepunktes in BaTiO 3 -Mischkristallreihen Ternäres System BaTiO 3 -SrTiO 3 -CaZrO 3 mit morphotroper Phasengrenze kub./tetr. (1,2,3 mit hohen ε r -Werten) Vorlesung Keramik Grundlagen, WS 2015/16, PD Dr.-Ing. Guido Falk BaTiO 3 : Korngrößenabhängigkeit von ε r [GL-15, S. 354] Solute Drag-Mechanismus zur Begrenzung des Kornwachstums von BaTiO 3 90°-Domänen in grobkörnigem (Ba 0,8 Ca 0,2 ) TiO 3 Vorlesung Keramik Grundlagen, WS 2015/16, PD Dr.-Ing. Guido Falk Stabilisation der Polarisation durch Raumladung in Korngrenzen Keramische Dielektrika: Typ III-1: Sperrschichtkondensatoren: Oberflächensperrschichten (oben) und Korn-grenzensperrschichten (unten) Keramische Dielektrika: Typ III-2: Ideale (links) und reale (rechts) Mikrostruktur von Sperrschichtkondensatoren Vorlesung Keramik Grundlagen, WS 2015/16, PD Dr.-Ing. Guido Falk Keramische Dielektrika: Alterung und Kapazitätsabnahme (links) und Verschiebung des Umwandlungspunktes (rechts) keramischer Kondensatoren Übersicht Polarisationseigenschaften von Festkörpern Keramische Dielektrika: Bauformen: Schema eines MLC (multilayer capacitor), oben, und bedrahtete Keramik-kondensatoren, unten. Vorlesung Keramik Grundlagen, WS 2015/16, PD Dr.-Ing. Guido Falk Lerntafel 3 Lineare und nichtlineare keramische Widerstände Keramische Heißleiter (NTC-Widerstände): Grundlagen [GL-15, S.169-171] Vorlesung Keramik Grundlagen, WS 2015/16, PD Dr.-Ing. Guido Falk NTC-Widerstände: Werkstoffe und Herstellung [GL-15, S.173] NTC-Widerstände: Technische Anwendungen PTC-Widerstände: Elektrische Charakteristik [GL-15, S.199] Vorlesung Keramik Grundlagen, WS 2015/16, PD Dr.-Ing. Guido Falk PTC-Widerstände: donatordotiertes BaTiO 3 [GL-15, S. 201] PTC-Widerstände: donatordotiertes BaTiO 3 [GL-15, S. 201] Anwendungsbeispiele von PTC-Widerständen Vorlesung Keramik Grundlagen, WS 2015/16, PD Dr.-Ing. Guido Falk Lerntafel 4 Piezoelektrische Keramiken Piezoelektrischer Effekt: Polarisation durch mechanische Deformation eines Quarzkristalls Dimensionsänderung der Piezokeramik beim Polarisieren a) vor dem Polarisieren, b)nach dem Polarisieren, c) Piezoelektrische Hystereseschleife (S 3 =Dehunung, E= Polarisationsfeld, V=Spannung) Piezokeramik: Makroverhalten eines Ferroelektrikums Vorlesung Keramik Grundlagen, WS 2015/16, PD Dr.-Ing. Guido Falk Ferroelektrische Piezowerkstoffe: Perowskite Bleizirkonat-Titanat-Keramik Piezokeramik: Phasendiagramm des Systems Pb(Zr x Ti 1-x )O 3 [GL-15, S. 418] Planarer Kopplungsfaktor kp, remanente Polarisation P r , Dielektrizitätszahl ε 33 und elast. Steifigkeit 1/s E 11 von PZT-Keramik als Funktion des Zr-Anteils [GL-15, S. 418419] Vorlesung Keramik Grundlagen, WS 2015/16, PD Dr.-Ing. Guido Falk Piezokeramik: Alterung [GL-15, S. 418-419] Piezokeramik: Anwendungsbeispiele Piezokeramik: Anwendungsbeispiele [GL-15, S. 418-419] Vorlesung Keramik Grundlagen, WS 2015/16, PD Dr.-Ing. Guido Falk Piezokeramik: Anwendungsbeispiele [GL-15, S. 418-419] Lerntafel 5 Pyroelektrische Keramiken Pyroelektrizität a) Pyroelektrischer Kristall im Gleichgewichtszustand. Freie Ladungen an den Oberflächen kompensieren gebundene Ladungen der permanenten Dipole. Durch Erwärmen verändern sich die Dipole (b), was zu einer Ladungskompensation und damit zu einer Spannung über der Probe führt. [GL-15, S. 438] Vorlesung Keramik Grundlagen, WS 2015/16, PD Dr.-Ing. Guido Falk Gütekriterium Pyroelektrika Pyroelektrische Werkstoffe Pyroelektrische Werkstoffe: Dotierung von PZT Vorlesung Keramik Grundlagen, WS 2015/16, PD Dr.-Ing. Guido Falk Anwendungen: Pyroelektrische Sensoren Lerntafel 6 Hochtemperatursupraleiter Sprungtemperatur von Supraleitern Supraleitenden Elemente im PSE Vorlesung Keramik Grundlagen, WS 2015/16, PD Dr.-Ing. Guido Falk Historische Entwicklung der kritischen Temperatur von HTSL-Werkstoffen Kristallstruktur des La 2-x Sr x CuO 4 Kristallstruktur des YBa 2 Cu 3 O 7-x Vorlesung Keramik Grundlagen, WS 2015/16, PD Dr.-Ing. Guido Falk Kritische Temperatur für YBa 2 Cu 3 O 7-x Schichtstruktur des YBa 2 Cu 3 O 7-x Strukturen der Bi-Sr-Ca-Cu-Oxide. Vorlesung Keramik Grundlagen, WS 2015/16, PD Dr.-Ing. Guido Falk Kristallstrukturen von HgBa 2 Ca n-1 Cu n O2 n+2 Verbindungen Hochtemperatur Supraleiter (HTSL): Technische Anforderungen LD 50 Giftdosis in mg pro kg des Körpers, welche tödlich für 50 % der Population ist. Vorlesung Keramik Grundlagen, WS 2015/16, PD Dr.-Ing. Guido Falk YBaCuO Dünnfilm hergestellt mittels des IBAD-Prozesses (Ion Beam Assisted Deposition) Schema des Powder-in-tube Prozesses (PIT) SQUID (Superconducting quantum interference device) Vorlesung Keramik Grundlagen, WS 2015/16, PD Dr.-Ing. Guido Falk MRI-Anwendungen in Medizin und Wissenschaft Industrielle HTSL-Anwendungen HTSL-Anwendungen: Drähte und Bänder Vorlesung Keramik Grundlagen, WS 2015/16, PD Dr.-Ing. Guido Falk
