Geleidingsmechanismen

Geleidingsmechanismen zijn de processen waardoor ladingdragers zich in een materiaal bewegen en zo elektrische geleiding mogelijk maken. Ze beschrijven hoe transport plaatsvindt in metalen, halfgeleiders, keramische en organische materialen en in ionische elektrolyten.

Elektronische geleiding in metalen berust op vrije elektronen die door het kristal bewegen. De mobiliteit en daarmee de geleiding worden beïnvloed door temperatuur, kristalstructuur en defecten; in halfgeleiders is de geleiding sterk afhankelijk van doping en de verdeling van elektronen en gaatjes.

In systemen met lokale toestanden kan elektronentransport via hopping plaatsvinden. Variabele-afstandshoping (VRH) en small-polaron hopping beschrijven deze mechanismen, waarbij de activatie-energie en de afstand tussen sites de temperatuurafhankelijke geleidbaarheid bepalen.

Ionische geleiding treedt op wanneer ionen zoals Li+, Na+ of H+ migreren door een rooster of via een glasachtige/organische matrix. Mechanismen omvatten vacancy- en interstitiële migratie, en de aanwezigheid van kanalen of percolatieroutes bepaalt de snelheid; temperatuur heeft vaak een sterke invloed.

Protongeleiding is een specifieke vorm van ionische geleiding die van belang is in brandstofcellen en protonengeleidende polymeren. Het mechanisme omvat protonhop en Grotthuss-type migratie via waterstofbruggen in waterstofrijke netwerken.

De structuur van het materiaal, zoals kristalliniteit, amorfe zones en laagdimensionale systemen, bepaalt welk geleidingsmechanisme overheerst. Ook factoren zoals dopingsniveau en vocht- of waterinhoud spelen een cruciale rol.

Metingen van geleidbaarheid, bijvoorbeeld met impedantie-spectroscopie of vierpuntmeting, helpen bij het identificeren van het onderliggende mechanisme. Modellering maakt gebruik van Arrhenius-relaties en combinaties van mobiliteit en dragerconcentratie om de temperatuurafhankelijkheid te verklaren.