הקדמה: התפקיד הקריטי של Grain Boundaries in Ceramic Conductivity

Ceramics כבר מזמן פרס על היציבות התרמית שלהם, קשיחות מכנית, וחוסר אינרציה כימית, אבל התנהגותם החשמלית משתרעת על טווח יוצא דופן - מ insulators כמעט מושלם כמו אלומיניום ועד מוליכים על-טבעיים גבוהים כגון ytrium barium נחושת oxides (YBCO) בלב של יכולת זו שוכנת הגבול: שני פגום שבו מוטציות של מבנים חשמליים או מגנטיים שונים, ולכן, עיצוב של מבנים חשמליים, או קרמיקה, דרך אחסון קרמיקה, או קרמיקה, או קרמיקה, או מחסנים, דרך אחסון קרמיקה, או קרמיקה, או קרמיקה, או מחסנים, על ידי אחסון קרמיקה, על ידי אחסון קרמיקה, על ידי אחסון קרמיקה, על ידי תאים חשמליים.

גבולות Grain יכולים להקל או למנוע תחבורה מטען בהתאם להסדר האטומי שלהם, הפרדה בלתי אפשרית, וזן מקומי. בעוד גביש יחיד של קרמיקה התנהגותית כמו טטנט ברוטו עשוי להציג התנגדות של כמה אום ס"מ, אותו חומר בדחיסות פוליקלית חיוני יכול להיות פקודות של גודל יותר התנגדות עקב מחסומים של דגנים.תופעה זו מנוצלת בטמפרטורה חיובית (CPT-Cactors) עם מגבלות חמורות כל כך, כאשר הם פגיעים קריטיים, עם מגבלות גבול קרמיקה, באופן חד קרמיקה, באופן חד קרמיקה, באופן חמור, כאשר זה יכול להיות קרמיקה, באופן חד קרמיקה, כאשר זה יכול להיות קרמיקה, כאשר זה הוא לחץ דם גבוה יותר, באופן חד קרמיקה, עם מגבלות גבול קרמיקה, באופן חד קרמיקה, עם מגבלות לחץ דם גבוה יותר התנגדות קרמיקה, כאשר זה הוא חזק יותר.

מאמר זה בוחן את הקשר המורכב בין מבנה גבול דגנים לבין מוליכות חשמלית בקרמיקה.אנו לחקור את האופי הבסיסי של גבולות דגנים, המנגנונים שבאמצעותם הם משפיעים על התנהגות, את התפקיד של זיהומים ופגמים, טכניקות להתאמה מתקדמת, אסטרטגיות עיבוד למהנדס גבולות, ויישומים מתעוררים שתלויים בשליטה מדויקת בגבולות.

גרלין ברוקמיס: הגדרה ו Classification

גבול גרגר הוא פני השטח הפנימיים המפרידים שני גבישים סמוכים (גרינים) עם אוריינטציה גבישית שונה.בקרמיקה פוליקריסטלליין, גבולות דגנים אינם רק ממשקים חדים; הם בדרך כלל מספר שכבות אטומיות (0.5–2 nm) שבו הסדר האטומי מחלחלים מן הריבועים של גבולות דגנים מתוארים על ידי חמש מעלות מקרוסקופ של חופש: לעתים קרובות להגדיר את שני דגנים (אך) על ידי גלקסיות (אך ערפל (אך) על ידי ערפל של גבול ערפל (אך) בין שני גלקסיות).

  • (הפסקה:0) גבולות גרגר הגלקסיות השייכים ל-FLT:1 (התמדה ובושה; 10-15 מעלות) מורכבים ממערך של פירוקים.גבולות אלה מסודרים יחסית ולעתים קרובות מראים התנהגות חשמלית דומה לחלק הגדול, עם התנגדות מועטה.
  • (FLT:0) מחסנית גבוהה גלקסיות (FLT:1) (התמדה וגיל; 15 מעלות) יש מבנה יותר מופרך, דמוי זכוכית, תכונותיהם החשמליות יכולות להיות שונות באופן דרמטי מהחלק הגדול, לעתים קרובות להרכיב מחסומים מנוגדים.
  • (FLT:0) מיוחד (אתר אטיאס, CSL) גבולות 1Felo:0) יש פגמים הנובעים התאמה אטומית תקופתית, המציעים אנרגיה נמוכה יותר ולעתים קרובות ביצועים חשמליים טובים יותר מאשר גבולות סבך אקראי.

אופי גבול הדגנים – הקריסטלוגרפיה, המבנה האטומי והכימיה – משפיע באופן ישיר על ההתנהגות הכוללת של החומר על ידי יצירת מחסומים פוטנציאליים, שינוי פרופילים של מינון, ומשרתת כמה מהר או איטי נתיבי דיפוזיה עבור מושגים.

ההשפעה של Grain Boundary Structure on Conductivity

גבולות הגרין משפיעים על מוליכות חשמלית באמצעות כמה מנגנונים הקשורים בין-ידיים.האפקט הבולט ביותר הוא היווצרות של מחסום FLT:0 (Sateky BarrierveFLT:1 או FLT:2space-charge LayerFLT 3: 3 בגבול בשל מלכודת נושאת מטען 0.1%, הפרדה של פגמים טעונים, או הבדלים בפוטנציאל אלקטרו-סגולי, אלקטרונים הם depleed קרוב לזרם אלקטרונים אחד, אשר עשוי להדחיקטיבי, כלומר, אשר עשוי להדוף את הגבול החיובי, כלומר, או לנטרולציה של אלקטרו-V, על פני זרם אחד, אשר עשוי לרמה גבוהה יותר, אשר עשוי לנטומנטום, כלומר, על פני זרם אלקטרונים, על פני זרם אלקטרונים, על פני שטח.

גובה גדר ומבנה - Property Correlations

(הורה גבוהה, גבולות דגנים נקיים - כגון גבולות סבך נמוכים או גבולות CSL מסוימים - כדי להיות גבהים מחסום נמוך יותר ו מוליכות גבוהה יותר.לדוגמה, ב-Fntium titanate (SrTiO3), שכבות סיליקון ניטראליות חסומות באופן דרסטי, גבולות דגנים עם מבנה אטומי ותפקוד מינימלי של הפרדה או הפרעה שנייה, בעוד גבולות חזקים שאינם מראים סיליקון רחבים (fic) כולל תכונות מתוחכמות חלקית:

מקור: Grain Boundary Misorientation

מחקרים ניסיוניים באמצעות דו-קריסטלים (שני גבישים בודדים הקשורים גרגר מעודן) חקרו באופן שיטתי את ההשפעה של הנאות (למשל, ב- YBCO superconductors, גבולות דגנים עם זוויות דביקות גדולות יותר מ 5-10 מעלות מדכאות באופן חמור את צפיפות הנוכחית הקריטית (Jc), לעתים קרובות על ידי סדרי גודל.

חסרונות ו Defects: Agents of Modification at Grain Boundaries

קרמיקה אמיתית תמיד מכילה זיהומים, או הוסיף במכוון כדוגנים או מוצגים באופן בלתי נמנע במהלך עיבוד. מינים אלה לעתים קרובות מחלחלים לגבולות דגנים כדי להפחית את האנרגיה הבין-גזעית.

הפיצול והקונקוויזיציות שלו

(הבדלנות) יכולה לשפר או לזלזל בהתנהלות, בהתאם לאופי האלקטרוני של ה-Sgregant.לדוגמה, FLT:0acceptor dopantsigphFLT:1 (למשל, Mg in Al2O3) יכול לגרור את הגבולות של דגנים וליצור מדינות חלופיות שלוכדות אלקטרונים, מעלה את גובה המכשול ולהגדיל את ההתנגדות.

זיהומים עיבוד סובסידיים - כגון סיליקון, סידן או sulfur - לעתים קרובות מצטברים גבולות דגנים ויוצרים שלבים משניים, אפילו ברמות pm. השלבים האלה יכולים להיות יותר התנגדות מאשר פנים דגנים, פועל כמו "דבק חשמלי" שמפריד דגנים.בקרמיקה מתקדמת כמו אלומיניום nitride (AlN) substrates עבור אלקטרוניקה, אפילו לעקוב אחר חמצן בדגנים בגבולות מופחתים ואווירה תרמית, אימפולסים.

נקודות מבט, חסרונות, וממשקים

גבולות Grain עצמם מכילים צפיפות גבוהה של פגמים נקודה פנימית (vacancies, interstitials) בשל הסביבה האטומית מתוחה. פגמים אלה יכולים לשמש כמו פיזור אתרים או מלכודות מטען. יתר על כן, גבולות דגנים לפעול לעתים קרובות כמו שקועים או מקורות עבור vacancies, המשפיע על הכימיה הכוללת של הקרמיקה.

חסרונות נכנסים לגבולות דגנים (כמו בגבולות סבך נמוך) ליצור מערך מחזורי של שדות זנים.אלה יכולים לקדם התנהגות על ידי מתן נתיבי אנרגיה נמוכים (למשל, לאורך ליבות פירוק ב ZnO) או למנוע אותו על ידי הפעלת קואולמב לפזר מרכזי פיזור.המשחק בין פגמים מבניים לתחבורה אלקטרונית הוא מורכב ולהישאר אזור פעיל של מחקר, עם מודלים חישוביים מתקדמים (דלהלן) כדי לעזור למערכות פונקציונליות ספציפיות.

טכניקות אפיון: Probing Grain Boundary Conductivity

הבנת האופי המדויק של מחסומים גבול דגנים דורש כלים ניסיוניים המשלבים בין רזולוציה מרחבית עם מדידה חשמלית. טכניקות רבות פותחו כדי לקשור מבנה והתנהגויות במיקרו-נומטרי.

המונחים: Spectroscopy

הטכניקה הנפוצה ביותר היא (FLT:0) ספקטרום אופטימפטיד (EIS)Espectroscopy) 1, אשר מודד את הדחף התלת-תלוי של דגימה קרמיקה. על ידי התאמת מודל מעגלי שווה ערך, התרומות ממרחבי גרגר וגבולות דגנים ניתן להפריד.במקרים רבים, ההתנגדות גבול דגנים מופיעה כאווירה נפרדת בתדרים ביניים במערך Nyquist, בעוד שתחתית, תוך כדי לשלוט בטמפרטורות כמותיות, כולל, כמו גם בטמפרטורה של גרגרית, ואפקטיביות, כוללית, כולל של דגנים, כולל של דגנים, ואפקטים, כולל של סגסוגת, כולל, כולל של סגסוגת גבוהה, כל תדרים.

שיטות סריקה Probe ו- Microscopy

(ב) מקבילה מבנית ישירה, FLT:0 scanning אלקטרו-מיקרוסקופית (SEM) יכול להיות 1LT עם אלקטרון אחורית (EBSD) מפות גבישיות גבישיות, זיהוי עיוותי דגנים על פני מדגם.משלבים חשמליים במקביל באמצעות מוטציות אלקטרו-סגולות מתקדמות (FLT:2conductive Atomic Forces) מיקרוסקופיות (cof-Flastic) LT3, יכול לזרום ישירות דרך מיקרוסקופ אלקטרונים חשמליים (D) באופן ישיר באמצעות אטומים חשמליים).

מיקרו-מגע ומיקרופרוב אריות

עבור מיפוי בקנה מידה גדול יותר, (FLT:0) , 000 מערך מגע של גלקסיות אינפורמטיביות (למשל, באמצעות אלקטרודות דפוס אוטוביוגרפי) מאפשר מדידה של מאות גבולות דגנים בודדים בתוך מדגם, מתן נתונים סטטיסטיים על חלוקת גובה מחסום. מחקרים כאלה הראו כי בחומרים varistor (ZnO-basedקרמיקה), המתח השבר נקבע על ידי הגבול החלש ביותר בתוואי, לא ממוצע.

שליטה על גרלין Boundary Structure באמצעות עיבוד

יצרנים פיתחו מגוון אסטרטגיות להתאים את מאפייני גבול דגנים עבור יישומים חשמליים ספציפיים.שיטות אלה לנצל את הגורמים התרמודינמיים והקינטיים המשפיעים על האבולוציה של הגבול במהלך עיבוד קרמיקה.

טמפרטורה ואטמוספירה

התבוננות בטמפרטורות גבוהות יותר מגבירה את הניידות האטומית, ומאפשרת לגבולות דגנים לסדר מחדש ולצמצם את האנרגיה עודף.לדוגמה, ב-BaTiO3 מבוססי קרמיקה PTC, תוך חלוף 1350 מעלות צלזיוס באוויר, מייצרת גבולות עם פחות סוללות חמצן וגבהים נמוכים יותר של מחסום בהשוואה לדגימות החשופכות בטמפרטורות נמוכות יותר.

דופנטים ותוספות

דום מכוונת הוא הכלי החזק ביותר להנדסת גבולות דגנים.0. [דודור דופיראטיםFLT:1 כמו Nb, W, או Sb יכול להפחית את התנגדות הגבול של דגנים על ידי הצגת מדינות כי לדרג את רמת פרמי ולהימנע מגובה המחסום. in vargicors, כמויות קטנות של B2O3, Co, או MnO מוסיפים כדי ליצור שלב דק עם צורות דלקתיות של דלקת ריאות מאוד לא סדירות (O) באופן ישיר נגד דלק מוצק (O3)

Two-Step Sintering ו- Spark Plasma Sintering

טכניקות עיבוד מתקדמות כמו FLT:0.2-שלב חטאים של ראטמב" 1 (טמפרטורה גבוהה ראשונה לדשן, ואז טמפרטורה נמוכה יותר לגנות גבולות ללא צמיחה דגנים) לייצר קרמיקה עם גבולות דגנים צפופים, נקיים ותפקוד חשמלי משופר (FLT:2Spark פלזמה מוצקה (SPS)FLT 3 חל דופק זרם DC בזמן לחיצה, אשר יכול מעדיף דגנים,2, 000) כדי להפחית את רמת חום (L) ולהפחית חומרים ממטרה) להורדת תאים פגומים (FID)

Grain Boundary Engineering באמצעות בקרת אוריינטציה

עבור יישומים הדורשים גידול דגנים גבוה ב מוליכות, קרמיקה מרקם עם נטיות דגנים תואמים ניתן לייצר באמצעות טט:0templated גידול דגנים (TGG) LT:1 או FLT:2hot forgingFLT 3: 3 תהליכים אלה ליצור שיעור גבוה של גבולות סבך נמוך או CSL, אשר מציג מוליכים מתקרבת לדגימות חד-קלריות יחיד-מיות, לדוגמה, לדוגמה, 000 קרמיקה, על פני קרמיקה.

המונחים: Grain Boundary control

היכולת מהנדס מבנה גבול דגנים מנוצלת ישירות בטכנולוגיות מסחריות ומתעוררות רבות.

המונחים: nonlinear Resistors

ZnO varistors הם הדוגמה הקלאסית.מתח ההתמוטטות שלהם (המתח שבו הם הופכים לפתע למוליכים) נקבע על ידי גובה מחסום הגבול של דגנים.על ידי שליטה בהפרדה של B, Co, ו- Mn מינים בגבולות, יצרנים יכולים להתאים את המתח השבר ממספר תנודות לכמה מצעים עד כמה קילולובטים.רשת דגנים פועלת ביעילות כרשת של דממה אחורית-ל-ל-ל-נטנגסטרד, ממגרעות אלקטרוניות.

PTC Thermistors וחיישנים

BaTiO3 טמפרטורה יעילה (PTC) המrmistors מסתמכים על עלייה חדה בהתנגדות גבול דגנים בטמפרטורת Curie.גובה המחסום הוא מודמנט על ידי הקיטוב הפרואלקטרי של הדגנים.

Solid Oxide Fuel Cells (SOFC)

ב SOFC אלקטרוליטים (למשל, YSZ, gadolinia-doped ceria), מוליכות גבול דגנים מגבילה לעתים קרובות את מוליכות ionic הכוללת. Reducing התנגדות גבול באמצעות עיבוד נקי (למשל, באמצעות nanopowders ו Gratering מהיר) אפשר דקר אלקטרוליטי עם הפסדים נמוכים יותר.

Superconductors

למרות עשרות שנים של מחקר, גבולות דגנים נותרים המכשול העיקרי ליישומים עתירי עתירי עתירי עתירי עתירי עתירה גבוהים כמו YBCO. עם זאת, באמצעות טקסט זהיר באמצעות תפוצה:0rolling-arolling-abating strates מרקמים (RABiTS) ממשיך את השליטה האטומית של 1 או FLT:2ion-be סיוע deposition (BAD) 3.

כיוונים עתידיים: Nanoscale Boundary Engineering

(הופנה מהדף ⁇ ) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

גישה מתפתחת נוספת היא (FLT:0) גבולות ⁇ FLT:1, שבו ההרכב הכימי הוא בהדרגה מגוון על פני הממשק כדי להחליק את המחסום הפוטנציאלי.גבולות "המודרגים" כאלה הוכחו במבנהי עתיר פילרו פילים דקים, וייתכן כי בקרוב ניתן יהיה לממשם במרבית הקרמיקה באמצעות אופטימיזציה מתקדמת של דיפוזיה, בנוסף, FLT2grain בשלב זה של מודל של שלב גבול 3DF: סימולציה, אשר עשוי להיות בעל השפעה אלקטרונית, אשר עשוי להיות בעל השפעה על ידי תרמודינמיקה, אשר עשוי להיות בעל השפעה הכרחית על ידי קרמיקה, אשר עשוי להיות יעיל של שיטות עיבוד סטנדרטי, אשר יהיה משפיע על ידי קרמיקה, אשר יהיה משפיע על ידי קרמיקה, אשר יהיה משפיע על ידי קרמיקה, אשר יהיה, 000, 000, 000, 000, אשר משפיע על ידי קרמיקה, כמו כן, 000, 000, 000, 000, 000, כדי לשנות תהליכים אלקטרוניים, אשר יהיה, אשר יהיה משפיע על ידי אידיאולוגיות, אשר יהיה, אשר יהיה, 000, 000, כדי לבצע שינויים מיקרוסקופיות, כדי לבצע שינויים קרמיקה, 000, כמו גם כן, 000, 000, 000, 000, כדי לשנות תהליכים אלקטרוניים, 000, 000, 000, 000, 000,

מאחר שקרמיקה משולבת יותר ויותר באלקטרוניקה של חשמל, כלי רכב חשמליים ומערכות אנרגיה נקיות, הביקוש לחומרים עם תכונות גבול דגנים מבוקרות בדיוק יגדל רק.הבנת הקשר היסודי בין מבנה אטומי לבין מוליכות חשמלית כבר לא רק תרגיל אקדמי - זה הכרחי עיצוב. על ידי שליטה באמנות ובמדע של הנדסה של דגנים גבולות הנדסה, חוקרים ויצרנים יכולים לפתוח את מלוא הפוטנציאל של חומרים קרמיקה ביישומים הדורשים ביצועים גבוהים ואמינות.

(ב) ויקרא ויקרא ומקורות חיצוניים:

  • (ב) [15] שינוי במחסום הגבול של סולטן ב-SrTiO3 bicrystals (הדיווחים המדעיים של הטבע)
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • חומרים מהונדסים:0 (GovernC Materials Horizons: Grain Frontier Engineering in מוצק אלקטרוליטטים) 1
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇