イットリア安定化ジルコニア中の正孔の濃度と移動度の同時決定

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イットリア安定化ジルコニアではZrO_2にY_2O_3を固溶させることにより,高温相である蛍石型構造を安定化させている。このとき同時に多量の酸素イオン空孔が生成することになり,酸素イオン導電体となる。電気化学的応用はこの酸素イオン導電性を用いているが,高温かつ高酸素分圧では微少量の正孔による電気伝導が無視できない。本研究では擬定常法により,イットリア安定化ジルコニア中の酸素透過速度を測定し,正孔の濃度と移動度を一つの測定結果から分離して求めた。まず,酸素透過速度を表す速度式を新たに導出した。[(2.1x10^4/P^*)^<1/4>-(P_<02>/P^*)^<1/4>](dP_<02>/dt)^<-1>=(FL^2/8u_hRT)P_<02>^<-3/4>+(4F^2LVP^<*1/4>/σ_hAR^2T^2)ここで,P_<02>は密閉したジルコニアるつぼの内側の酸素分圧,P^*=1.01x10^5Pa,tは時間,Fはファラデー定数,Lはるつぼの厚さ,u_hは正孔の移動度,Rは気体定数,Tは絶対温度,Vはるつぼ内の容積,Aは酸素透過に対する有効断面積である。得られた結果からu_hとσ_h(=eC_hu_h)を求め,正孔濃度(C_h)を計算した。その結果,一定酸素分圧における正孔濃度は温度の上昇とともにわずかに減少することがわかった。この傾向はバンドキャップと酸素空孔の生成のエンタルピーの差から説明すべきであることを示唆した。