Comportement de frittés et de films d'oxyde de titane en présence d'atmosphères gazeuses, hors équilibre thermodynamique, en régime stationnaire ; application aux capteurs résistifs d'oxygène

R. Jerisian , Joël Gautron , J. Loup

La non-stœchiométrie de l'oxyde de titane est étudiée, dans le domaine de température 870-1 100 K, en présence d'atmosphères hors équilibre thermodynamique, composées de CO, CO2, O2, Ar. La résistance électrique de différentes structures massives, poreuses ou en couches est mesurée, en régime stationnaire, en fonction du débit des gaz ; ces atmosphères sont d'autant plus éloignées de l'équilibre que le débit est élevé. On montre que les variations de résistance des échantillons, en fonction du débit, dépendent du domaine de pression partielle d'oxygène, de la température et de la structure des échantillons. La sensibilité à l'oxygène est accrue par un morphologie qui, à l'échelle macroscopique, favorise la diffusion de l'oxygène et qui, à l'échelle microscopique, permet la création de barrière de potentiel aux joints de grains. En milieu oxydant, à 870 K, un mécanisme de volume qui met en jeu la cinétique des échanges avec la phase gazeuse, détermine une variation de résistance en PO21/4/PCO1/2. En milieu réducteur, à la même température, la non-stœchiométrie en volume de l'oxyde est fixée par le couple redox CO/CO2 comme si l'atmosphère était en équilibre thermodynamique. Mais l'abondance des électrons de conduction, favorise la chimisorption de l'oxygène qui contrôle la résistance des couches selon une loi en PO21/2 en créant des barrières de potentiel à la surface des grains. Des modèles, permettant le calcul du potentiel de surface ainsi que du taux de recouvrement, sont développés ; la comparaison des modèles indique une diffusion relativement lente des lacunes d'oxygène à 870 K. A 1 100 K, l'atmosphère tend à être à l'équilibre thermodynamique : i) en atmosphère oxydante, tous les capteurs sont en équilibre avec la pression partielle d'oxygène ; ii) en atmosphère réductrice, dominée par le couple redox CO/CO2, seules les couches sont sensibles à la présence de traces d'oxygène.

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R. Jerisian, Joël Gautron, J. Loup. Comportement de frittés et de films d'oxyde de titane en présence d'atmosphères gazeuses, hors équilibre thermodynamique, en régime stationnaire ; application aux capteurs résistifs d'oxygène. Journal de Physique III, 1992, 2 (4), pp.679-699. ⟨10.1051/jp3:1992153⟩. ⟨jpa-00248775⟩