Conduction électrique dans les électrodes polycristallines de ZnO semiconducteur. Importance des joints de grains

Electrical conduction in polycrystalline semiconducting ZnO electrodes. Importance of the grain boundaries

Laboratoire des Matériaux Moléculaires, CNRS, 2-8 rue H. Dunant, 94320 Thiais, France

Résumé

Les propriétés électriques de pastilles frittées d'oxyde de zinc polycristallin pur et enrichi en oxyde de bismuth ont été comparées avec celles d'électrodes analogues en contact avec un électrolyte aqueux. En bon accord avec le modèle des varistances, les propriétés électriques des pastilles sèches enrichies en oxyde de bismuth sont dominées par les barrières intergranulaires ; la résistance en champ nul est élevée et la polarisation appliquée se divise en autant de chutes élémentaires de potentiel qu'il y a de barrières consécutives dans l'épaisseur des pastilles. La mise au contact d'un électrolyte aqueux induit des modifications importantes de ces propriétés ; la résistivité des pastilles enrichies en oxyde de bismuth est fortement diminuée. Le comportement des électrodes polycristallines se rapproche alors de celui d'électrodes monocristallines : une polarisation anodique appliquée reste confinée en une seule zone de charge d'espace à l'interface électrode-électrolyte. Les résultats sont interprétés comme étant la conséquence du mouillage des joints de grains par l'électrolyte en surface des pastilles, permettant l'injection directe d'électrons dans les joints de grains.

Abstract

The electrical properties of pure and bismuth-doped polycrystalline sintered zinc oxide pellets have been compared with those of electrodes of similar composition but operating in contact with an aqueous electrolyte. In good accordance with the model proposed for varistors, the electrical properties of the bismuth-doped dry pellets are dominated by the intergranular barriers; the zero-field resistivity is high and an applied polarization is divided into individual potential drops, each corresponding to one grain boundary barrier. These properties are altered when the pellets operate in contact with an aqueous electrolyte, the resistivity of the bismuth-doped pellets decreasing strongly. The behavior of the polycrystalline electrodes is similar to that of single crystal electrodes: an applied anodic polarisation is entirely sustained in a single space charge layer at the electrode-electrolyte interface. The results are a consequence of the wetting of the grain boundaries by the electrolyte at the surface of the pellets allowing a direct electron injection in the grain boundaries.