Conduction électrique dans les oxydes cristallins

Les oxydes cristallins, quand ils sont stœchiométriques, sont des isolants électriques : ils peuvent être décrits comme des cristaux quasi- ioniques, les charges sont liées aux atomes et ne sont pas mobiles.



Catégories :

Oxyde - Corrosion - Réaction chimique - Chimie générale - Électricité

Page(s) en rapport avec ce sujet :

  • Les oxydes cristallins, quand ils sont stœchiométriques, sont des isolants... La charge transportée n'est pas la charge de l'ion elle-même, ... Cette création de charge va permettre une conductivité électrique (La conductivité... (source : techno-science)
  • Cette conductivité de type «n» (conductivité par transfert de charges négatives) reste cependant...  :ZnO, Isolants 10 "-10-20 Oxydes... (source : books.google)

Les oxydes cristallins, quand ils sont stœchiométriques, sont des isolants électriques : ils peuvent être décrits comme des cristaux quasi-ioniques (proches des sels), les charges sont liées aux atomes et ne sont pas mobiles. Les isolateurs électriques sont d'ailleurs souvent des céramiques ou des verres (notons cependant que les céramiques et les verres ne sont pas tous des oxydes, et que les verres sont des solides mais amorphes).

Cependant, les écarts à la stœchiométrie donnent naissance à des défauts ponctuels qui permettent une conduction électrique.

Prérequis
lire les articles
  • Cristallographie
  • Défaut ponctuel ;
  • Notation de Kröger et Vink ;
  • Diffusion ;
  • Loi d'Ohm.

Conductivité ionique et électronique

Le courant électrique peut résulter du mouvement de deux types de charges :

Le déplacement des ions peut se faire de deux manières :

La charge transportée n'est pas la charge de l'ion elle-même, mais la différence entre le charge de l'ion et la charge qu'on aurait si le réseau était parfait à cet lieu, ce qu'on nomme la «charge effective».

Par exemple : dans l'alumine Al2O3, l'ion aluminium dans le réseau a une charge 3+ ; la charge «naturelle» d'un site d'aluminium est par conséquent 3+. Si désormais le site est occupé par un ion de fer Fe2+ en substitution, alors le site est en déficit de charge positive ; sa charge effective est par conséquent -1. Dans la notation de Kröger et Vink, on note ceci «FeAl'». Ainsi, un déplacement de l'ion positif Fe2+ correspond en fait au déplacement d'une charge négative dans le réseau.

Une position interstitielle est vide dans un cristal parfait, sa charge «naturelle» est par conséquent nulle. Dans ce cas, la charge effective du site est la charge réelle de l'espèce qui l'occupe.

Un électron libre ou un trou d'électron sont reconnus en position interstitielle. Leur déplacement suit une loi d'Ohm classique. Ils peuvent cependant être capturés par un ion et modifier la charge locale, par exemple :

MM + e'→ MM'

ils se déplacent alors avec l'ion.

Le déplacement des ions peut être l'unique fait de l'agitation thermique ; on parle alors de «diffusion», le courant électrique généré étant une conséquence de cette migration. Mais le déplacement peut aussi être créé par

Écart à la stœchiométrie

Considérons un élément M, et l'oxyde de cet élément MnO2. On peut le décrire comme un sel

(Mz+n, O2-2).

L'écart à la stœchiométrie peut provenir de deux facteurs : l'équilibre thermodynamique avec l'atmosphère et le dopage.

L'équilibre thermodynamique avec l'atmosphère

L'oxyde et l'élément réduit sont en équilibre suivant la réaction d'oxydation

n M + O2 ↔ MnO2

selon la pression partielle de dioxygène et la température, l'équilibre se déplace d'un côté ou de l'autre. Dans les conditions où l'oxyde est stable, on va avoir des écarts à la stœchiométrie, la formule de l'oxyde devenant :

Dopage

L'oxyde peut contenir des éléments étrangers. Ces éléments peuvent être :

Ces impuretés peuvent se glisser entre les ions du réseau, elles sont alors dites «interstitielles», ou bien peuvent remplacer des atomes du réseau, elles sont alors dites «en substitution».

Les éléments dopants peuvent introduire une charge effective non nulle. Cette création de charge va permettre une conductivité électrique, soit sous forme ionique, soit sous forme électronique, en captant des électrons d'autres sites (créant ainsi des trous d'électron), ou bien en «émettant» des électrons libres.

Lois phénoménologique de la conduction

Si on soumet l'oxyde à une tension électrique, les charges relatives non nulles sont mises en mouvement. Ce faisant, cela crée un gradient de concentration, que la diffusion tend à niveler. Si on a un régime stationnaire, on peut décrire ce mouvement de manière globale — statistique — par la loi de Nernst-Einstein :

v_i = \frac{D_i F_i}{kT}

Cette loi est comparable à un frottement fluide (effet parachute)  : la vitesse, en régime stationnaire, est proportionnelle à la force.

On peut ainsi relier la conductivité électrique locale σi due à l'espèce i au cœfficient de diffusion :

\sigma_i = \frac{D_i z_iˆ2 eˆ2 c_i}{kT}

La conductivité électrique totale σ est la somme des conductivités électriques pour chaque espèce :

σ = ∑i σi

Voir aussi

  • Semi-conducteur
  • Recherche sur Amazon (livres) :



    Principaux mots-clés de cette page : charges - ions - oxydes - électriques - réseau - espèce - déplacement - électrons - élément - diffusion - loi - conductivité - mouvement - effective - site - écarts - stúchiométrie - équilibre - ioniques - verres -

    Ce texte est issu de l'encyclopédie Wikipedia. Vous pouvez consulter sa version originale dans cette encyclopédie à l'adresse http://fr.wikipedia.org/wiki/Conduction_%C3%A9lectrique_dans_les_oxydes_cristallins.
    Voir la liste des contributeurs.
    La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 30/11/2010.
    Ce texte est disponible sous les termes de la licence de documentation libre GNU (GFDL).
    La liste des définitions proposées en tête de page est une sélection parmi les résultats obtenus à l'aide de la commande "define:" de Google.
    Cette page fait partie du projet Wikibis.
    Accueil Recherche Aller au contenuDébut page
    ContactContact ImprimerImprimer liens d'évitement et raccourcis clavierAccessibilité
    Aller au menu