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]
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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
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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)
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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
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Leitfähigkeit ionischer Leiter als Funktion der Temperatur
Intrinsiche Ionenleiter: Mögliche Mechanismen der Kationenbewegung im NaClGitter
Extrinsische Ionenleiter: Mechanismen der extrinsischen Ionenleitung
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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
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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
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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)
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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
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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
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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.
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Lerntafel 3
Lineare und nichtlineare keramische Widerstände
Keramische Heißleiter (NTC-Widerstände): Grundlagen
[GL-15, S.169-171]
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NTC-Widerstände: Werkstoffe und Herstellung [GL-15, S.173]
NTC-Widerstände: Technische Anwendungen
PTC-Widerstände: Elektrische Charakteristik [GL-15, S.199]
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PTC-Widerstände: donatordotiertes BaTiO 3 [GL-15, S. 201]
PTC-Widerstände: donatordotiertes BaTiO 3 [GL-15, S. 201]
Anwendungsbeispiele von PTC-Widerständen
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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
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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]
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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]
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Gütekriterium Pyroelektrika
Pyroelektrische Werkstoffe
Pyroelektrische Werkstoffe: Dotierung von PZT
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Anwendungen: Pyroelektrische Sensoren
Lerntafel 6
Hochtemperatursupraleiter
Sprungtemperatur von Supraleitern
Supraleitenden Elemente im PSE
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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
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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.
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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)
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MRI-Anwendungen in Medizin und Wissenschaft
Industrielle HTSL-Anwendungen
HTSL-Anwendungen: Drähte und Bänder
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