Sintering of tin oxide and its applications in electronics and processing of high purity optical glasses

Abstract

Óxido de estanho é um material semicondutor do tipo n com comportamento altamente covalente. O transporte de massa neste óxido depende do estado da superfície promovido pela atmosfera ou pela solução sólida devida a dopagem de óxido aliovalente. A sinterização e o crescimento de grão deste tipo de óxido na forma de pó é então controlado pela atmosfera e pela formação de vacância de oxigênio extrínseca. Para o pó de SnO2 puro o estado da superfície depende somente da interação das moléculas da atmosfera com a superfície do SnO2. Atmosferas inertes como a de argônio promovem a formação de vacâncias de oxigênio na superfície devido a redução de SnO2 para SnO na superfície e liberação de moléculas de oxigênio formando vacâncias de oxigênio. Como conseqüência, a difusão via superfície é aumentada originando crescimento de grão mas não densificação. A atmosfera de oxigênio inibe a redução de SnO2 diminuindo a concentração de vacâncias de oxigênio na superfície. A adição de dopantes de menor valência na temperatura de sinterização cria vacâncias de oxigênio carregadas extrínsecas, que promovem transporte de massa no contorno de grão levando a densificação e crescimento de grão deste óxido policristalino. Cerâmicas de SnO2 dopadas com cobalto e nióbio exibem comportamento varistor, que pode ser aplicado em eletrônica. Alem disso, cerâmicas de SnO2 são quimicamente inertes e podem ser aplicadas na forma de cadinhos para a fusão de alguns vidros ópticos.

Tin oxide is an n type semiconductor material with a high covalent behavior. Mass transport in this oxide depends on the surface state promoted by atmosphere or by the solid solution of aliovalent oxide doping. The sintering and grain grow of this type of oxide powder is then controlled by atmosphere and by extrinsic oxygen vacancy formation. For pure SnO2 powder the surface state depends only in the interaction of atmosphere molecules with the SnO2 surface. Inert atmosphere like argon promotes oxygen vacancy formation at the surface due to the reduction of SnO 2 to SnO at surface and liberation of oxygen molecules forming an oxygen vacancy. As a consequence, surface diffusion is enhanced leading to grain coarsening, but no densification. Oxygen atmosphere inhibits the SnO2 reduction decreasing the surface oxygen vacancy concentration. Additions of dopants with lower valence at sintering temperature create extrinsic charged oxygen vacancies that promote mass transport at grain boundary leading to densification and grain growth of this polycrystalline oxide. Cobalt and niobium doped SnO2 ceramics exhibit varistor behavior, which can be applied in electronics. Moreover, SnO2 ceramics are chemically inert and can be applied in form of crucibles to melt some optical glasses.