Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio (Jun 2006)
Oxygen Ion Conduction in Oxide Materials: Selected Examples and Basic Mechanisms
Abstract
Oxygen ion conductors with most symmetrical structures such as fluorite- and perovskite-related phases, rely on the mobility of oxygen vacancies. High-performance electrolytes, namely with the apatite type structure, recently developed, show dominant interstitial transport. In order to assess basic composition-conductivity relationships in a fluorite-derived C-type cubic structure with high tolerance to different types of oxygen defects, a series of Y2O3-based materials were studied by impedance spectroscopy in air in the range 700-1000oC. Yttria doped with CaO exhibits reasonably high ionic conduction via the vacancy mechanism. Samples doped with ZrO2 and HfO2 possess oxygen interstitials as dominant defects, but show poor ionic conductivity when compared to Ca-doped materials. These tendencies, known for other fluorite-related phases such as pyrochlores, are opposite to those observed for apatite- and K2NiF4-type structures. Comparison of ionic conductivity levels in various oxide materials suggests that fast interstitial migration may be expected for complex multicomponent materials where the ion transport occurs in lattice fragments with high bond ionicity. Furthermore, conduction-affecting stereological parameters, to a great extent, depend on the relaxation of covalent fragments.<br><br>Los conductores iónicos de oxígeno con estructuras más simétricas como fluorita y perovsquita dependen de la movilidad de las vacantes de oxígeno. Se han desarrollado recientemente electrolitos con elevadas prestaciones, los llamados de estructura tipo apatito, que muestran transporte intersticial dominante. Con el objeto de establecer las relaciones básicas entre composición y conductividad en una estructura cúbica tipo-C derivada de la fluorita con alta tolerancia a diferentes defectos de oxígeno, se han estudiado materiales basados en Y2O3 por espectroscopía de impedancia en el rango de temperaturas entre 700 y 1000ºC. La ytria dopada con CaO exhibe una conductividad iónica razonablemente alta vía mecanismo de vacantes. Las muestras dopadas con ZrO2 y HfO2 poseen oxígenos intersticiales como defectos dominantes pero presentan una conductividad iónica poble comparada con los materiales dopados con CaO. Estas tendencias, conocidas para otras fases relacionadas con la estructura fluorita como los pirocloros, son opuestas a las que se observan en estructura de tipo apatito y K2NiF4. La comparación de los niveles de conduccion iónica entre varios materiales oxídicos apunta a la existencia de un mecanismo rápido de migración intersticial. Este mecanismo cabría expresarse en materiales multicomponente complejos en los que el transporte iónico tiene lugar en partes de la red con elevada ionicidad del enlace. Más aún, los parámetros estereológicos que afectan a la conducción, en gran medida dependen de la relajación de las partes covalentes.
