二酸化ジルコニウム (ZrO2) としても知られるジルコニアは、その結晶構造とドーパントに応じて変化する独特の電気特性を示します。 純粋な形では、ジルコニアは一般に絶縁体であると考えられており、電気をよく通さないことを意味します。 これは、純粋なジルコニアの結晶構造は高温では立方晶系で安定しており、この材料には導電性に必要な自由電子や移動電荷キャリアが欠けているためです。
酸素イオン伝導度
ただし、ジルコニアはより低い温度、通常は摂氏約 1,170 度で相変態を起こし、正方晶の結晶構造になる可能性があります。 この変態により格子内に酸素空孔が誘発され、電荷担体として機能する酸素イオン空孔が生成されます。 この酸素イオン伝導率は重要であり、部分安定化ジルコニア (PSZ) が酸素イオン伝導体としてよく知られています。 PSZ は、固体酸化物型燃料電池 (SOFC) および酸素センサーの電解質材料として一般的に使用されます。
電子伝導性
酸素イオン伝導性とは別に、特定のドーパントがその構造に導入されると、ジルコニアは電子伝導性も示すことができます。 ジルコニアに酸化イットリウム（Y2O3）を添加したイットリア安定化ジルコニア（YSZ）がその代表的な例です。 YSZは、固体酸化物形燃料電池などの高温燃料電池の電解質として広く使用されています。 イットリウムを添加すると、立方晶相が室温で安定化し、高いイオン伝導性と電子伝導性が可能になります。
要約すると、ジルコニアの電気特性は、ドーパントを導入するか、特定の条件にさらすことによって変更でき、その結果、さまざまな程度の導電率が得られます。 ジルコニアは、その導電率を制御できるため、さまざまな電子および電気化学デバイスに応用できる多用途の材料となっています。
