交流阻抗法在钙钛矿中的应用与发展
A2BO4型类钙钛矿材料的第一性原理研究进展
A2BO4型类钙钛矿材料的第一性原理研究进展黄荣洲; 郭为民; 乐志文; 尹俊【期刊名称】《《应用化工》》【年(卷),期】2019(048)011【总页数】5页(P2698-2702)【关键词】A2BO4型类钙钛矿; 第一性原理; 电子结构; 性质【作者】黄荣洲; 郭为民; 乐志文; 尹俊【作者单位】广西科技大学生物与化学工程学院广西柳州545006; 广西科技大学广西糖资源绿色加工重点实验室广西柳州545006; 广西科技大学广西高校糖资源加工重点实验室广西柳州545006【正文语种】中文【中图分类】TQ203.2; TM426.82; O643.3A2BO4型类钙钛矿因其具有二维层状结构和独特的物化性能，而被广泛地应用于中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFCs)阴极材料[1-2]和功能材料等领域。
目前，主要通过对该材料组成、结构进行调控，有效提高其物理性能。
但是不同实验条件、组成、结构对其物理性能的影响不同，不易区分组成、结构对该材料物理性能的不同作用机制，使得通过实验难以迅速找到影响规律。
第一性原理的方法提供一条途径。
此外，国内外，这方面研究主要集中在这类材料的结构和磁性等性质。
目前从量子层面应用第一性原理的方法解释该材料物理性质的研究报道有限。
本文将综合国内外相关文献，对其的第一性原理研究进展进行综述。
1 类钙钛矿结构Ruddlesden-Popper(RP)系列复合氧化物是一种被广泛研究的用作IT-SOFCs阴极材料，其一般式为An+1BnO3n+1化合物[3]。
该化合物中，其中A通常是大阳离子，通常是稀土金属离子或碱土金属离子；B通常是中等尺寸阳离子，通常是过渡金属离子；O为阴离子，n=1，2，3……RP相是由n个串联钙钛矿层(ABO3)n和岩盐层(AO)交替构成，岩盐层沿着晶体的c轴方向生长，其化学式可为(AO)(ABO3)n，n表示相互连接的层之间BO6八面体共用顶点数目[4]。
电化学交流阻抗(EIS)在金属文物表面保护涂层性能评价中的应用综述
电化学交流阻抗(EIS)在金属文物表面保护涂层性能评价中的应用综述张英蓉【摘要】文物表面保护涂层性能的评价以及选择优异的涂层,是文物保护工作的一个重要环节.在涂层性能评价中,相较于湿热、酸碱浸泡、盐雾等传统的加速腐蚀老化实验方法,电化学交流阻抗技术(EIS)具有定量、快速、便捷、可直接应用于文物本体进行无损检测分析等优势.简要介绍了对交流阻抗的原理、实验方法和分析方法,并对其在金属文物表面保护涂层性能评价和筛选工作中的具体应用做出综述.【期刊名称】《文物保护与考古科学》【年(卷),期】2015(027)001【总页数】6页(P103-108)【关键词】交流阻抗;金属文物;保护应用【作者】张英蓉【作者单位】西北民族大学历史文化学院,甘肃兰州730030【正文语种】中文【中图分类】K876.410 引言我国是世界上文物储藏量最丰富的国家，随着社会经济、生产力的发展，自然环境的恶化，古代遗留至今的文物都不同程度的受到破损，尤其是金属文物的腐蚀病变，保护这些集历史、艺术、经济、文化、科学技术于一身的不可再生的文物迫在眉睫。
传统保护金属文物的工艺是将大漆、石蜡等涂覆在金属表面，防止其受到自然环境的破坏，但是，这些保护材料的寿命较短，具有一定的局限性。
因而，近年来，诸多学者在研究中将工业界中的有机涂层材料移植到文物保护中，利用这些有机涂层材料对金属进行表面封护处理。
由于这种涂层处理后对文物本身伤害小，并且可进行可逆性操作，正逐渐地成为文物保护领域的热点。
如何对有机涂层材料的保护防蚀性能进行科学的评价成为当前备受关注的问题。
文物界对保护涂层性能评价常采用的方法是通过借鉴工业界中条件可控的腐蚀加速老化实验(盐雾、酸浸泡、碱浸泡、盐浸泡、湿热、紫外或冻融实验等)，继而对各种待检测的涂层进行各项性能的检测(定性检测:宏观形貌观察、附着力等;定量检测:光泽度、色差等)［1］。
电化学交流阻抗(EIS)方法是通过研究涂层体系阻抗的变化，来评价涂层性能的有效方法之一，20世纪80年代，国际上已开始应用该项技术。
钙钛矿 忆阻器
钙钛矿忆阻器钙钛矿（Perovskite）是一种晶体结构的矿物，因为它具有优异的光电性能而引起了人们的广泛关注。
在2012年，Perovskite太阳能电池的效率首次达到了10%，成为了相当具有潜力的一种太阳能材料。
与此同时，Perovskite材料的另一个应用领域——忆阻器，也开始被各界广泛关注。
接下来我们将从以下几个方面展开讨论：1. 忆阻器基础原理2. 钙钛矿的忆阻器3. 钙钛矿忆阻器的应用前景4. 钙钛矿忆阻器制备技术发展5. 未来发展趋势一、忆阻器基础原理忆阻器是一种基于非线性电阻率效应（Nonlinear Resistor Effect）的电子元件，具有忆动阻特性，可以记录电场、电压或电流等物理信号的历史信息。
在使用电阻器的过程中，随着电流的流动，电阻值会发生变化。
当电流达到一定阈值时，电阻值会发生突变。
这种电阻值的忆动行为被称为忆阻效应。
忆阻器的忆动阻特性是由其材料内部的电子结构变化：例如，频繁的取向结构变化、电子的缺陷形成等所引起的。
忆阻器通常可以分为两种类型：金属氧化物忆阻器和有机忆阻器。
二、钙钛矿的忆阻器钙钛矿材料在化学成分上可以用ABX3表示，其中A是一些阳离子，B通常是过渡族金属离子，而X是一些负离子，通常是氧离子。
钙钛矿在过去几年中，尤其是在太阳能电池领域中得到了很好的发展。
在2014年，钙钛矿忆阻器第一次被报道，由此引起了人们广泛的关注。
一项研究表明，钙钛矿忆阻器的响应时间常常只有亚微秒，这是金属氧化物忆阻器所无法比拟的。
此外，钙钛矿忆阻器具有高响应速度、良好的稳定性、低功率、低可能性等优点，使得它能够有效地应用于射频识别、通信、图像处理和神经网络等领域。
钙钛矿忆阻器的实验数据表明，它可以实现高达1000的电阻比，这意味着它会在响应门限附近产生极其明显的电阻跳变。
三、钙钛矿忆阻器的应用前景由于钙钛矿忆阻器具有优异的性能，因此其应用前景非常广阔。
目前，该技术已经应用于射频ID、声波传感、储存器等领域。
交流阻抗分析全解
I Cdv / dt CwVm cos wt CwVm sin(wt ) 2 交流电流 I Cdv / dt jwCVm e jwt
阻抗
1 1 ZC V / I j jwC wC
阻抗ZC为一共轭复数，交变电流的相位比电压 2
超前90度(相位角
交流电压的几种数学表示式 正弦波交流电电压随时间作正弦波变化的表示 式：
V Vm sin wt 交流电压作为矢量在复数平面中可以表示为：
V Vm cos wt jVm sin wt 根据欧拉公式用指数形式表示复数时则为：
V Vm e jwt
由纯电阻R组成电路的交流阻抗 交流电压
阻抗模：
Z Z Re Z Im
2 2
Rp 1 ( wR p C p ) 2
相位：
tg
Z Im wR pC p Z Re
当wRp C p 1时， Z Rp， 0 当wRp C p 1时， Z 1 ，lg Z -lgCp - lgw，是一条斜率为 1的直线 wCp
R Cd
ZF
一般来说，在一个电极反应进行时，若其他条件不变，电极反应的Faraday 电流乃是电极电势，电极表面吸附或氧化物的覆盖度、参与电极反应的粒 子活度等状态变量的函数。如果电极反应是电化学控制，则通过交流电时 不会出现粒子的浓度极化。在这种情况下，电极的Faraday阻抗只包含电阻 项，即ZF=Rct。
lg R p
Nyquist图
阻抗实部：
Z Re Rp 1 ( wR p C p ) 2 wR p C p 1 ( wR p C p ) 2
) Z Im
2 2
阻抗虚部： Z 化解：
钙钛矿 忆阻器
钙钛矿忆阻器钙钛矿是一种重要的半导体材料，其具有良好的光电性能和热稳定性，因此被广泛应用于光电器件和电子器件的制造中。
钙钛矿具有较高的载流子迁移率和光吸收系数，还表现出很好的发射、传输和接收光信号的能力。
但通过在钙钛矿薄膜中掺杂稀土等杂质，在特定温度和电场条件下，可以实现其的电阻变化。
这种电阻变化是一种特殊的非线性电学行为，称为钙钛矿忆阻效应。
本文将着重探讨钙钛矿忆阻器的相关知识和应用。
一、钙钛矿忆阻器原理钙钛矿忆阻器是一种基于钙钛矿材料的阻变材料，它可以在外界电场或热激励下，产生电阻的快速、可逆、非线性调制。
其本质是利用电子在钙钛矿晶体中的行为特性，通过在晶体中注入离子掺杂或纯化处理，从而实现电阻的调控。
在钙钛矿晶体中，离子掺杂可以产生准稳定的“活性位点”，具有可以改变晶格能量和电子构型的特殊能力，这种能力是激活了钙钛矿材料的忆阻效应。
因此，只有在存在一定的活性位点时，才能使得钙钛矿显示出忆阻效应的特点。
在实际应用中，可以通过掺杂离子进入钙钛矿的晶格中，从而改变其电子结构，形成额外的激活位点，从而实现钙钛矿的忆阻效应。
当外界电场或热激励作用于钙钛矿中的激活位点时，它们会快速地聚集在一个位置，从而形成一个带电荷穴的区域。
这个荷穴区域可以改变晶体中的电子能带结构和载流子迁移率，导致电阻的变化。
二、钙钛矿忆阻器的应用1. 高密度存储和逻辑门电路钙钛矿忆阻器具有小差异读取、低耗能、储存密度高等特点，近年来也已经开始被应用于高密度的存储器和逻辑门的制造中。
在这些应用中，钙钛矿忆阻器的优点在于高速响应、快速调制和低功耗，能够实现大规模的集成电路制造。
2. 非易失性存储器钙钛矿忆阻器在非易失性存储器中的应用已经被广泛探讨。
这种存储器可以不依靠电源维持储存状态，并具有很强的抗电磁干扰等特点。
由于钙钛矿忆阻器具有大小可逆、快速调制和耐高温的优点，因此在非易失性存储器的应用中具有较高的研究和应用价值。
3. 光电器件作为一种高性能的光电材料，钙钛矿忆阻器已经被广泛应用于光电器件制造中，如光电转换器、太阳能电池、电致变色材料等。
交流阻抗的原理与应用
交流阻抗的原理与应用
本文介绍了交流阻抗法在电化学研究中的应用，以及如何使用Zsimpwin软件进行数据拟合。
交流阻抗法是一种通过施
加小振幅正弦波电位或电流来测量电极系统频响函数的方法，可以分析电化学系统的反应机理和计算相关参数。
复数阻抗的测量可以给出阻抗的绝对值和相位角，为研究电极提供丰富的信息。
本文还介绍了纯粹电化学控制的电极体系的等效电路和总阻抗的计算方法。
最后，本文给出了复数阻抗曲线的示意图。
执行硫酸预处理实验前，请在“Control”菜单中选择“Run Experiment”命令。
在铂盘电极预处理后，使用双蒸水进行冲洗，然后在不超过60℃的恒温箱中干燥。
待电极表面完全干
燥后，使用苯胺溶液作为电解液，并连接好电路进行电聚合。
通过调整聚合圈数，可以在铂盘电极上制备出不同厚度的聚苯胺。
参数设置如下图所示：Init E(V)：-0.2；High E(V)：0.8；Low E(V)：-0.2；Final E(V)：0.8；Initial
将修饰好的铂盘电极放入电解池中，加入5mmol·L-
1[Fe(CN)6]3-/4-/KCl溶液作为电解液，并连接好测量线路。
一般来说，红色夹头应连接到电极上，白色夹头连接到参比电极上，绿色夹头连接到工作电极上。
二维钙钛矿阻抗谱 解释说明以及概述
二维钙钛矿阻抗谱解释说明以及概述1. 引言1.1 概述二维钙钛矿材料作为一种新兴的合成材料，在能源领域引起了广泛关注。
随着科学技术的不断进步，研究人员们开始对其进行更深入的探索，其中之一便是通过阻抗谱分析来揭示其电子传输和离子输运过程。
二维钙钛矿阻抗谱是通过测量样品在不同频率下的电压响应来获取的，可以提供关于材料电导和阻抗的有用信息。
本文旨在对二维钙钛矿阻抗谱进行解释说明，并概述其在能源领域中的应用前景以及可能遇到的挑战。
1.2 文章结构本文共分为五个主要部分。
第一部分是引言，介绍了本文的背景和目标。
第二部分将详细解释二维钙钛矿材料以及阻抗谱分析方法，并解释二维阻抗谱特征。
第三部分将涉及实验设计、数据采集与处理以及结果分析与讨论。
第四部分将讨论二维钙钛矿阻抗谱在能源领域中的应用前景，并探讨技术发展的挑战以及可能的解决方案。
最后一部分是结论与展望，对文章进行总结并对未来研究方向提出建议。
1.3 目的本文的目的是深入了解二维钙钛矿阻抗谱，并从理论和实践角度探讨其在能源领域中的应用潜力。
通过对二维钙钛矿阻抗谱特征的解释说明，可以为材料科学研究者和工程师们提供更深入的认识和洞察。
此外，本文还将探讨当前面临的技术挑战，并提出可能的解决方案，以促进该领域技术发展。
最后，本文将总结主要观点，并对未来研究方向进行展望和建议，为相关领域研究人员提供参考。
2. 二维钙钛矿阻抗谱解释说明：2.1 钙钛矿材料介绍：钙钛矿是一类具有特殊结构和优异性能的晶体材料，由A离子、B离子以及O离子组成。
其中，A离子通常为十二面体配位的较大阳离子，B离子为八面体配位的较小正离子，而O离子则充当桥梁连接两者。
这种结构使得钙钛矿具有良好的导电性和光催化性能，在能源转换和存储领域表现出巨大潜力。
2.2 阻抗谱分析方法：阻抗谱是一种通过测量材料对交流电信号的响应来评估其电学性质的实验技术。
在二维钙钛矿中，阻抗谱可以用于探究其电导率、极化行为以及界面特性等关键属性。
经典钙钛矿的电阻和带隙
经典钙钛矿的电阻和带隙1. 背景介绍经典钙钛矿是一种晶体结构具有空间群为Pm-3m的化合物，其中含有一种重要的化学组成BaTiO3。
其对于电子学和材料科学具有广泛的应用，特别是用于无线电器件、数据存储和激光调制等领域。
钙钛矿的电阻和带隙是理解其电学性能的关键参数。
本文将介绍经典钙钛矿的电阻和带隙的概念与测量方法，以及钙钛矿材料的应用和未来发展方向。
2. 钙钛矿的电阻钙钛矿是一种绝缘体材料，其导电性较差。
在常温下，它的电阻率常常在10^10 Ω·cm以上。
其电阻率与温度的关系不太明显，因为它基本上不存在自由载流子，只有微小的杂质掺杂和氧空位，这些掺杂杂质可以导致导电性发生变化。
此外，钙钛矿的电阻可以通过施加外部电场改变。
随着电场的增大，材料内的极化程度增强，电容性质变得更显著。
同时，薄膜和异质结构能够在极化过程中产生更大的电流，导致钙钛矿的电阻发生变化。
3. 钙钛矿的带隙钙钛矿的带隙是在能量-动量空间中，价带和导带之间的能级差异。
在常温下，它的带隙大小约为3.2 eV。
这种大的带隙是钙钛矿优异电学性能的重要来源之一。
由于带隙较大，它对紫外线和可见光电磁波的吸收较少，可以有效地减少材料的光敏效应。
但是，带隙大小差异也可能导致一些问题。
一些特殊的应用需要较小的带隙，以实现更高的灵敏度和更高的光吸收率。
因此，目前还在探索如何通过添加杂质和结构改变等方式调节钙钛矿的带隙大小。
4. 测量钙钛矿的电阻和带隙钙钛矿材料的电阻和带隙通常通过几种实验测量方法来测定。
其中，传统的电学测量方法包括四点探针（Four-point probe）和Van der Pauw方法，这两种方法主要用于测量材料的电阻率。
而用于测量带隙的方法则包括光致发光（Photoluminescence）、紫外光电子能谱（UPS）、X射线光电子能谱（XPS）和光电学吸收谱（UV-vis）等方法。
此外，还有一些高级技术用于研究钙钛矿的电学性质，例如扫描隧道显微镜（STM）和扫描电子显微镜（SEM）。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
交流阻抗法在钙钛矿中的应用与发展摘要:简述了钙钛矿化合物ABO3的晶体结构、容忍因子.对电化学交流阻抗技术的发展和基本原理作了回顾，对其在介质材料（钙钛矿）与电化学领域中的应用进行了综述。
随着技术的发展，交流阻抗技术将使电化学研究更加的深入，为其他领域的研究提供新的机遇。
关键字:钙钛矿；容忍因子；交流阻抗；介质材料；电化学前言钙钛矿及其相关化合物因其多变的结构和丰富的物理、化学性质,在功能材料、电化学、固体物理和固体化学领域有着非常重要的地位。
尤其是在当今的工业化和信息化社会中,钙钛矿及类钙钛矿材料在超导[1]、铁电[2-5]、铁磁[6-8]、巨磁阻[9,10]氧离子导电[11]、高介电常数[12]、等方面表现出来的独特性质越来越引起人们研究的关注。
交流阻抗技术(AC impedance) 又称为电化学阻抗谱( electrochemical impedance spectroscopy , 简称EIS) ,是一种以小振幅的正弦电位(或电流) 为扰动信号的电化学测量方法。
交流阻抗方法是电化学测试技术中一类十分重要的研究方法, 近几十年来发展非常迅速, 已成为研究电极过程动力学和表面现象的重要手段, 应用范围已经超出电化学领域, 越来越广泛。
目前应用交流阻抗技术较多的如电化学领域中研究电极过程、金属腐蚀机理和耐蚀性能、缓蚀剂性能评价等; 生物领域中研究生物膜的性能等; 物理学领域研究电子元器件、导电材料的性能等; 材料科学中研究材料的力学性能以及材料表面改性后的性能评价等。
本文简要介绍交流阻抗技术的发展和基本原理, 并对其在各领域中的应用进行综述。
1 钙钛矿化合物ABO3的晶体结构1.1钙钦矿的晶体学基础钙钦矿结构是以俄罗斯地质学家Perovski的名字命名的,最初是特指钦酸钙的结构。
钙钦矿结构的通式为ABX3,其中A和B为阳离子而X为阴离子。
因为研究对象由氧化物构成的钙钦矿结构,所以本文中将钙钦矿的通式具体化为AB03。
理想的钙钦矿结构是立方对称的,空间群为pm3m,八面体中的B-0键与晶体学立方的棱重合。
这种结构除了点阵参数以外没有其他任何可变参数,其典型代表并非CaTi03而是SrTi03,如图1所示。
钙钦矿结构的描述方法很多,以图1a的表示形式为例,Ti4+离子位于立方体的顶点而sr2+离子位于立方体的中心。
02一离子位于立方体十二个棱的中心。
如果我们把距离Ti4+离子最近的所有02一离子相连,就构成了在三维方向无限延伸的共顶点连接Ti06八面体链。
每个sr2+离子则被十二个等距离的02一离子所围绕。
又或者,可以看作是立方密堆结构:02一离子和Sr2+离子的立方密堆层沿着立方结构的「111」方向堆垛,而较小的Ti4+离子则位于密堆结构的八面体间隙中。
(a)(b)图1 SrTiO3理想的钙钛矿结构(a)及其他常用形式(b)更多的钙钦矿化合物的结构会发生一定的扭曲,例如前文提到的CaTi03就是如此。
由于其结构中的Ti06八面体发生了协同倾斜(图1.1),对称性从立方(pm3m,Z=l)降低到正交(Pnma,Z=4),这种扭曲变形源于八面体网络结构中的共顶点的八面体间隙的尺寸与较小的Ca2+离子半径尺寸的不匹配。
氧八面体的扭曲会使得Ca2+离子的配位数从12降低到8,从而减小剩下的Ca--0键之间的张力,增加晶格能[13]。
但是,这种变化几乎不影响Ti4+离子的八面体配位关系。
图1.1 CaTiO3事实上,扭曲变形的钙钦矿结构的材料数目要远远多于不变形立方结构的理想钙钦矿结构的材料,M.WLufaso的博士论文[30]中曾以具有单一离子八面体的钙钦矿材料为例,给出了一个大概的比例分布示意图(图1.8)。
钙钦矿结构中的共顶点的八面体的倾斜和(或)旋转会引起钙钦矿本身结构的变化,从而产生新的与钙钦矿结构相关的晶体结构。
最典型的是如图2所示的两类:钨青铜结构和层状泌结构。
前者的特点是结构中氧八面体在a-b面内产生了倾斜,而后者的特点是结构中共顶点的氧八面体层被[Bi202]+2层所分隔。
这两类结构的材料主要作为铁电材料应用,而钨青铜结构还是重要的微波材料的结构体系,多年来被各国研究人员所广泛研究。
这部分内容己超出了本论文的关注范围,更为详细的介绍这里就不再赘述了。
从前文的讨论中可以看出,导致钙钦矿发生扭曲变形的八面体网络结构中的共顶点立方八面体间隙的尺寸与A位离子半径尺寸不匹配的现象非常常见。
这种A位离子与立方八面体间隙尺寸的匹配程度可以用Goldschmidt提出的“容差因子”(tolerance factor, t)的结构参数来表征(1-8)式中rA、rB、ro分别代表A位、B位阳离子和氧离子的有效半径。
如图2所示,对于立方体结构的钙钦矿来说,在离子紧密堆积的理想情况下满足图2 钙钛矿的理想密堆积模型rA+ro=a且rB+ro=21/2a,其中a为晶胞参数。
从式(1-8)的关系很容易看出此时容差因子t=1。
很直观地,容差因子可以一定程度上反应钙钦矿结构离子间距关系。
因此钙钦矿物相的结构稳定性可以近似地根据容差因子的大小来判断,一般认为可以保持钙钦矿结构稳定的容差因子范围是0.77~1.1。
2 交流阻抗技术的发展[14,15]随着电化学理论的不断完善与发展, 电化学方法也得到了相应的发展。
在电化学测量中做出了重要贡献的是Stern 和他的同事。
他们在1957 年提出了线性极化的重要概念, 虽然线性极化技术有着一定的局限性, 但在实验室和现场快速测定腐蚀速度时还是一种简单可行的方法。
腐蚀工作者在随后的十余年中又做了许多工作, 完善和发展了极化电阻技术。
电子技术的迅速发展促进了电化学测试仪器的发展, 现代电子技术的应用和用于暂态测量测试仪器的出现, 一些快速测量方法和暂态响应分析方法也得到了发展, 最典型的例子就是交流阻抗技术的发展。
最初测量电化学电阻采用交流电桥和李沙育方法等, 这些方法既费时间又较繁琐, 干扰影响也大。
随着电子技术的发展, 锁相技术和相关技术的仪器( 如频率响应分析仪、锁相放大器等) 被用于交流阻抗测试, 它们的灵敏度高, 测试方便, 而且容易应用扫频信号实现频域阻抗图的自动测量。
后来可以利用时频变换技术从暂态响应曲线得到电极系统的阻抗频谱, 从而实现了在线测量, 追踪电极表面状态的变化。
最近一种利用震动探针电极测量局部电极阻抗的技术也得到开发。
计算机技术引入电化学领域, 可以由计算机对电化学交流阻抗测量进行控制, 自动完成数据采集和数据分析。
2.1 交流阻抗技术的基本原理[14]交流阻抗方法是用小幅度交流信号扰动电解池, 并观察体系在稳态时对扰动的跟随的情况, 同时测量电极的交流阻抗, 进而计算电极的电化学参数。
由于电极过程可以用电阻R 和电容C 组成的电化学等效电路来表示, 因此交流阻抗技术实质上是研究RC 电路在交流电作用下的特点和规律。
2. 2 阻抗的概念一个纯正弦电压可以表示成e= E sinXt, 其中X为角频率。
对一个纯电阻R 加上正弦电压时, 根据欧姆定律, 响应电流为i= ( E / R) sinXt 或以向量标记I#= E#/ R , 相角为零。
对一个纯电容C 施加正弦电压e 时, 由于i = C # ( de/ dt ) , 因此i =XCE cos Xt 或i= ( E / Xc ) sin ( Xt + P/ 2) , 其中Xc=( XC) - 1称为容抗, 相角是P/ 2, 电流导前于电压, 用复数符号表示向量, 规定纵坐标分量为虚部, 横坐标为实部。
对纯电容用向量表示激励正弦电压与响应正弦电流的关系, 可写为E#= - jXc I#, 或E#= I#Z, 其中Z= - jXc= - j/ ( XC) 称为阻抗。
阻抗是一种普遍化的电阻,E#= I#Z 是欧姆定律的普遍形式。
同样方法可以导出纯电感L 的阻抗为jXL 。
导纳是阻抗的倒数, 用Y 表示。
对纯电阻Y=R-1, 纯电容Y= jXC, 纯电感Y= 1/jXL 。
对于串联电路, 总阻抗为各个阻抗的复数和。
对并联电路, 总导纳为各个导纳的复数和。
更复杂的电路可以根据类似于电阻所运用的规则, 通过合并阻抗来分析。
2. 3 交流阻抗的复数表示阻抗可以表示成复数平面的矢量或写成复数形式Z= A+ jB。
Z 可以由模| Z | 和相角来定义,则A= | Z| cos <, B= | Z | sin <, 即Z = | Z| cos<+ j|Z| sin <, | Z | 表示它的幅值。
阻抗的表达式中含有所施加正弦信号的角频率, 因此阻抗矢量将随角频率的变化而变化。
描述阻抗随频率变化的方法是用由阻抗矢量值和相角绘成的Nyquist 图, 也可用包含幅频特性曲线和相频特性曲线的Bode 图表示。
3 交流阻抗技术的应用交流阻抗方法是一种暂态电化学技术, 属于交流信号测量的范畴, 具有测量速度快, 对研究对象表面状态干扰小的特点, 因此在实际科研工作中, 交流阻抗技术的应用范围非常广泛。
3. 1 介质材料领域对于均匀材料(如玻璃材料、单晶材料)一般采用直流方法测试,但对于陶瓷这样的非均匀材料,由于材料中存在晶粒和晶界的区别,且两者的导电性能一般有明显的区别,需要采用交流法测试。
材料导电性能的交流测试和相应的分析方法也称为交流阻抗谱分析法(ACimpedance spectroscopy )。
交流阻抗谱是一种非常有效的电化学测试手段,由于材料中不同成份在不同的频率下弛豫时间不同,进而能够有效地分析材料中的这种错综复杂的关系。
一般情况下,介质陶瓷材料晶粒的尺寸在微米数量级,而晶界的尺寸在纳米数量级,且晶界的原子排列较为混乱,电阻率远大于晶粒的电阻率,这样载流子不倾向于沿着晶界的方向迁移(箭头1方向),而倾向于沿着穿过晶粒和晶界的途径迁移(箭头2方向),如图3(a)所示[16]。
由于晶粒和晶界内部都存在电阻,而界面上又会产生电容,随着频率的的变化,在复阻抗平面图(Z〃-Z'图)中就以半圆的形式表现出来。
通过元件之间的串并联,可以得到各种复合元件。
在大多数情况下,可以为电化学阻抗谱找到一个合适的等效电路模型,而等效电路方法也是电化学阻抗谱的主要分析方法。
如果用等效电路的方法表示介质陶瓷材料的电性质,晶粒和晶界可以分别表示为电阻R和电容C并联的元件,然后这两个元件以串联的方式相互连接如图3(b)所示。
图3 陶瓷材料的砖块模型（a）和等效电路模型（b）: :Rb、Cb表示晶粒的电阻和电容;Rgb、Cgb表示晶界的电阻和电容在实际陶瓷材料的测试中,有可能出现一个阻抗半圆,也可能出现多个阻抗半圆,对这些半圆的指认,其对应的电容率的数量级是一个很重要的参数,1990年,John T.S. Irvine 等给出了电容率与阻抗相之间可能的关系,如表2-2所示论文中所有样品的交流阻抗阻抗测试都是在Solartron 1260阻抗谱分析仪上进行的。