Elsevier

Solid State Ionics

Volume 12, March 1984, Pages 271-276
Solid State Ionics

Electrical conductivity and seebeck voltage of Fe2O3, pure and doped, as a function of temperature and oxygen pressure

https://doi.org/10.1016/0167-2738(84)90156-5Get rights and content

Abstract

The electrical conductivity and Seebeck voltage were measured on 99.9997% Fe2O3 as a function of temperature and oxygen pressure, and on donor- and acceptor-doped samples as a function of temperature. The results indicate Fe2O3 is an intrinsic semiconductor above 650°C, where the conductivity is described by σ=9191.2 exp(−1.11 eV/kT)(1/Ωcm) and it is oxygen-pressure independent. The Seebeck voltage shows Fe2O3 is n-type below 800°C and p-type above this temperature. Conductivity measurements on doped samples were used to calculate the carrier mobilities and these are given by the expressions:μ (electrons)=(1998T)exp (−0.17 eV/kT)(cm2Vs), μ (holes)= (9298T) exp (−0.29 eV/kT)(cm2/Vs). The electrons are the most mobile carrier below ≈800°C but the hole is more mobile above 800°C, and this probably explains the conversion from n- to p-type behavior. The concentration of electrons is greater than that of the hole above 650°C, and the carrier concentration product is given by (np)= 1.34×1042exp (−0.78 eV/kT). The appropriate defect equation for intrinsic Fe2O3 is 0=n+p and the formation expressions for the minor atomic defects are Fe2O3→2(FeintN+)+2Nn+32O2, where N =2 or 3 and Fe2O3→2(FexFe+3VO+6n+32O2.

Résumé

La conductivité électrique et l'effet Seebeck ont été mesurés, d'une part, pour Fe2O3 pur (99,9997%) en fonction de la température et de la pression d'oxygène et d'autre part, pour Fe2O3 dopé avec des éléments donneurs et accepteurs, en fonction de la température. Les résultats montrent que Fe2O3 est un semiconducteur intrinsèque au-delà de 650°C; la conductivité électrique s'exprime par la relation σ=9191,2 exp (−1.11 eV/RT)(1/Ωcm) et est indépendante de la pression d'oxygène. L'effet Seebeck montre que Fe2O3 est un semiconducteur de type n aux températures inférieures à 800°C et de type p au-delà de cette température. Les mesures de conductivité électrique effectuées sur des échantillons dopés ont permis de déterminer la mobilité des porteurs de charge: μ (électrons) = (1998T)exp (−0,17 eV/kT)(cm2V−1s−1), μ (trous)=(9298T)exp (−0,29 eV/kT)(cm2V−1s−1). Les électrons sont les porteurs les plus mobiles aux températures inférieures à 800°C, mais les trous électroniques sont plus mobiles au-delà de 800°C, ce qui explique probablement le passage d'un comportement de type n à p. La concentration en électrons est plus élevée que celle des trous au delà de 650°C, et le produit des concentrations en porteurs est donnée par la relation (np)=1.34×1042exp(−0,78 eV/kT), avec pour F2O3 intrinsèque: 0=n+p et pour les défauts atomiques minoritaires: Fe2O3→2FeWtN++2Nn+32O2, ou N=2 ou 3, et Fe2O3→2FeFex+3VO..+6n+32O2.

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