Ионная проводимость диэлектриков.

Впервые вопрос об ионной природе электрического тока возник на рубеже 19 века. Гальвани наблюдал сокращение мышц лягушки при контакте с разнородными металлами. В 1799 г Вольт создал новый химический источник тока, состоящий из серии медных и цинковых кружков, разделенных суконными прокладками, смоченными кислотой. В 30-х годах XIX столетия М.Фарадеем был проведены обширные исследования прохождения тока через жидкие вещества, позволившие сформулировать основные количественные законы переноса заряда.

Впервые ионную проводимость твердых тел подробно исследовал Тубандт в 1914 году. В последующем Варбург, Кюри, Нернст, Чеботин В.Н. и другие углубили представления об ионной проводимости твердых тел. Ионная проводимость твердых тел нашла первое практическое применение в лампе Нернста, в которой в качестве нагревательного элемента использовали ионный проводник. Несмотря на эти успехи, природа ионной проводимости оставалась непонятной.

Беда была в том, что вопрос об ионной проводимости пытались рассматривать как частный вопрос, хотя он является только частью общего вопроса физики твердого тела о дефектах кристаллической решетки и диффузии ионов.

Следовательно, нужно было отказаться от господствующих представлений идеальной кристаллической решетки, где каждый атом занимает строго определенное положение, и нет дефектов.

Согласно гипотезе бездефектного кристалла диффузия атома возможна только при обмене местами соседних атомов; однако при помощи такого механизма нельзя объяснить ионную проводимость. Действительно, перенос заряда может осуществиться лишь в том случае, когда возможен обмен местами между анионом и катионом. Однако, требуемая для этого энергия, например, в случае AgI, была бы настолько велика, что в 1 г-моль вещества такое явление наблюдалось бы лишь один раз за фантастически большое время, равное 10³⁰ годам. При этом, ни о каком переносе заряда при помощи ионов говорить бы не приходилось.

Скачок в понимании механизма проводимости твердых тел наступит после экспериментальных исследований А.Ф. Иоффе и его учеников – Синильникова, Гохберта и др. Они установили макроскопическое перемещение ионов в кристаллических решетках, доказали выполнение закона Фарадея при электролизе ионных кристаллов. Эти работы привели к идеи о внутренних нарушениях структуры решетки или дефектах решетки.

Впервые вопрос о причинах ионной проводимости твердых тел был рассмотрен в 1926 году Н.Я.Френкелем. Френкель предположил, что вследствие тепловых флуктуаций, ионы могут приобрести энергию, достаточную для того, чтобы покинуть нормальное положение в узлах решетки и перейти из узлов в междоузельные положения. Ионы способны перескакивать из одного междоузельного положения в другое, оставляя вакантные места. При наложении на кристалл электрического поля возникает направленное перемещение ионов, т.е. протекает ток. Теория Френкеля позволяет получить соотношения, которые определяют равновесную концентрацию дефектов и удельную ионную проводимость твердых тел.

Точечные дефекты.

Точечными дефектами в сложных кристаллах являются вакансии и междоузельные ионы. Точечные дефекты в ионных кристаллах являются подвижными носителями заряда и обуславливают ионную проводимость в твердых телах.