Conductivité électrique et défauts de structure des oxydes semiconducteurs de type n

II. — Application au bioxyde titane (anatase) pur et dopé au gallium et au niobium

(Institut de Recherches sur la Catalyse, Villeurbanne et Université Claude-Bernard, Laboratoire de Thermodynamique et Cinétique Chimiques, Laboratoire Associé au CNRS n° 231, Catalyse Appliquée et Cinétique Hétérogène, 43, boulevard du 11-Novembre-1918, 69621 Villeurbanne.), France.

Résumé

La conductivité électrique de petites particules de bioxyde de titane sous forme d’anatase a été mesurée en fonction de la pression partielle d’oxygène en équilibre avec le solide dans le domaine de température où cet oxyde est actif en catalyse d’oxydation. Les résultats ont été exploités à l’aide d’un modèle général précédemment proposé qui fait intervenir simultanément différents types de défauts, responsables de la semiconductivité de l’oxyde. La conductivité électrique d’un échantillon activé sous vide provient de l’ionisation partielle ou totale de lacunes anioniques en équilibre avec l’oxygène gazeux. L’incorporation de niobium dans le solide conduit à une augmentation de conductivité sans modification du type précédent de défauts initialement présents dans l’anatase pure. Par contre, le dopage par des ions gallium se traduit par une diminution de la conductivité et l’apparition d’un nouveau type de défauts ionisables dont l’énergie d’ionisation est égale à 54 kcal/mole.

Les énergies de formation des lacunes partiellement et totalement ionisées sont en bon accord avec des résultats basés sur des mesures physiques indépendantes.

Abstract

The electrical conductivity of small particles of titanium dioxide (anatase) has been measured versus the partial pressure of oxygen in equilibrium with the solid, in a range of temperature where the oxide is active in oxydation catalysis. The experimental data have been explained by using a general model previously described which takes into account different simultaneous structure defects responsible for the semicon- ductivity of the oxide. The electrical conductivity of samples actuated in vacuo comes from the partial or complete ioniza- ton of anionic vacancies in equilibrium with gaseous oxygen.

The incorporation of niobium increases the conductivity without changing the nature of defects initially present in pure titania. On the contrary, doping by gallium ions decreases the conductivity and shows the existence of a new ionizable defect (E_i = 54 kcal/mole). The formation energies of partially and complety ionised anionic vacancies are in good agree- with those based on independent measurements.