Ionenaustausch und elektrische Leitfähigkeit an Gläsern des Systems Na₂O-Rb₂O-SiO₂: Aufbau von elektrischen Widerstandsbarrieren durch Ionenaustausch

Abstract

Proben aus Na₂O * 3 SiO₂- bzw. Rb₂O * 3 SiO₂-Glas werden unterschiedlich lange bei 530 °C in RbNO₃-bzw. NaNO₃-Schmelzen ionenausgetauscht. An diesen Proben wird sodann die spezifische elektrische Leitfähigkeit bestimmt. Bereits nach kurzer Austauschzeit fällt die Leitfähigkeit im Vergleich zu den Ausgangsproben stark ab. Durch den Ionenaustausch bilden sich in der Nähe der Glasoberfläche mehrere Größenordnungen hohe Barrieren im elektrischen Widerstand aus. Ein Vergleich der Leitfähigkeiten der ionenausgetauschten Proben mit den Werten der homogenen Glasproben des Mischalkalisystems (Na₂O + Rb₂O) * 3 SiO₂ zeigt, daß diese nur im Na₂O-reichen Teil des Systems stark unterschiedlich sind, während im Rb₂O-reichen Gebiet nur geringe Unterschiede festzustellen sind. Die auf Grund der Annahme der alleinigen Wirkung des Mischalkalieffektes für die ionenausgetauschten Proben berechneten Leitfähigkeiten stimmen gut mit den Werten der homogenen Proben überein; dies gilt im wesentlichen unabhängig von der Verteilung der Alkalien in den Proben. Der auf der Na₂O-reichen Seite des Systems durch Ionenaustausch zusätzlich auftretende Widerstand ist möglicherweise auf die Wirkung der durch den Ionenaustausch oder in seiner Folge auftretenden elastischen Spannungen zurückzuführen. Dafür spricht auch die Tatsache, daß die Leitfähigkeiten sich sukzessive den Werten für die homogenen Proben annähern, wenn die Proben zusätzlich getempert werden.

Ion exchange and electrical conductivity of glasses in the system Na₂O-Rb₂O-SiO₂: creation of electrical resistance barriers by ion exchange Samples of Na₂O * 3 SiO₂ and Rb₂O * 3 SiO₂ glass were ion-exchanged for various times at 530 °C in RbNO₃ and NaNO₃ melts, respectively. Only short exchange times are needed to produce considerable decreases in electrical conductivity. Ion exchange produces a barrier layer, many orders of magnitude higher in resistivity, near the surfaces of the glass. A comparison of the conductivities of ion-exchanged samples with homogeneous glasses in the system (Na₂O + Rb₂O) * 3 SiO₂ showed that this large effect occurs only at the sodium-rich end of the range, there being very little effect at the rubidium-rich end. Conductivities for the ion-exchanged samples, calculated on the assumption that the mixed alkali effect alone was responsible for the changes, agreed well with the data for the homogeneous glasses indicating that the results were almost independent of the distribution of alkali in the samples. The increased resistance caused by ion-exchange in the sodium-rich range may be due to the effects of the elastic stresses of the ion exchange itself or resulting from them. The latter is supported by the fact that conductivities approach the values for homogeneous samples if the ion-exchanged specimens are heat treated for increasing times.

Echange ionique et conductibilité électrique de verres du système Na₂O-Rb₂O-SiO₂: formation de barrières de resistance électrique par Suite de l'échange ionique Des échantillons de verres Na₂O * 3 SiO₂ et Rb₂O * 3 SiO₂ sont soumis à un échange ionique 530 °C pendant des durées variables dans des fontes de RbNO₃ et de NaNO₃. La conductibilité électrique spécifique des échantillons est ensuite déterminée. Après un échange de courte durée, la conductibilité diminue déjà fortement si on la compare à celle des échantillons de départ. Par suite de l'échange ionique, il se forme, à proximité de la surface, des barrières de resistance électrique dont l'importance atteint plusieurs ordres de grandeur. Une comparaison de la conductibilité des échantillons qui ont subi un échange ionique avec les valeurs d'échantillons homogènes du système alcalis mixtes (Na₂O + Rb₂O) * 3 SiO₂ montre que ceux-ci ne se différencient fortement que dans la partie du système riche en Na₂O et que l'on note seulement de faibles différences dans le domaine riche en Rb₂O. Les conductibilités calculées en se basant sur l'hypothèse de la seule influence de l'effet alcali mixte sur les échantillons ayant subi un échange ionique sont en bon accord avec les valeurs des échantillons homogènes, cette constatation étant valable indépendamment de la répartition des alcalis dans les échantillons. La resistance additionnelle qui intervient dans la région riche en Na₂O du système par suite de l'échange d'ions peut être attribuée ä l'action des contraintes élastiques dues ou consécutives ä l'échange ionique. Cette hypothèse est renforcée par le fait que les conductibilités se rapprochent des valeurs correspondant aux échantillons homogènes lorsque les échantillons sont ensuite trempés.