缺陷與缺陷化學

外質缺陷(extrinsic defect)

外質缺陷的存在歸因於一顆外來原子——可能是混進來的雜質,也可能是刻意加入的摻質。與本徵缺陷不同,外質缺陷不會在冷卻時消失;它們的數目由你加入多少雜質決定,而非由溫度決定。這正是陶瓷師取得掌控權的方式:選好摻質、選好用量,就能調出你想要的缺陷數量。

最有力的情形是「異價」雜質(aliovalent impurity)——一顆置換型原子,其電荷與被它取代之主晶格離子不同。因為電荷不再匹配,晶體必須製造一個夥伴缺陷來維持中性。把 Ca2+ 放到氧化鋯的 Zr4+ 位置上,鈣少了兩個電荷(Ca_Zr'');晶體便造一個帶雙正電的氧空位來平衡:CaO 變成 Ca_Zr'' + V_O•• + O_O^x。把 Al3+ 放到 MgO 的 Mg2+ 位置上,鋁多了一個電荷(Al_Mg•);晶體便以一個鎂空位補償,得到 2 Al_Mg• + V_Mg''。摻質的價數因而「決定」了出現哪一種補償缺陷——空位、間隙原子或電子載子。

這就是功能陶瓷的引擎。外質製造的氧空位讓穩定化氧化鋯成為氧離子導體;施體或受體摻雜帶來的外質電子載子,調校半導體與熱敏電阻陶瓷;外質缺陷則決定摻雜寶石與螢光體的顏色。在低到中溫,真實陶瓷處於外質區,雜質固定的缺陷濃度是平的、與溫度無關——唯有到高溫,本徵熱項才接手。

主力固態電解質 YSZ 完全是外質性的:ZrO2 中 8 mol% 的 Y2O3 把氧空位濃度固定在約占陰離子位置的 4%,基本上與溫度無關,為燃料電池提供一個又大又可靠的可動 V_O•• 資源池。

外質缺陷數量由組成決定,所以既穩定又可設計——這是每一種摻雜電子陶瓷的基礎。

加入摻質絕不會製造出淨電荷。每一次異價置換都會自動被一個補償缺陷平衡掉;設計的全部本領,就在於選擇你要得到哪一種補償。

又称
impurity defectdoping-induced defect外來缺陷雜質缺陷