Tehnica spectroscopiei de impedanta

metoda complexa de caracterizarea a proprietatilor electrice ale materialelor si ale interfetelor acestora cu electrozi conductori

folosita in studiul dinamicii sarcinilor electrice legate sau libere din volum sau din regiunea de interfata, pentru orice tip de material solid sau lichidionic, semiconductor, mixt electronic-ionic, izolator (dielectric)

Masuratori electrice: celule cu doi electrozi identici (fete plan-paralele) intre care se afla materialul de caracterizat

tehnicaaplicarea unui semnal electric extern pe electrozi (tensiune sau curent cunoscute ) si observarea raspunsului (curentul sau tensiunea rezultate)

Impedanta

1

Tipuri de semnale electrice folosite in spectroscopia de impedanta

functie treapta

2

measurat estimat

2

1

Raspuns variabil in timp - transformata Fourier in frecvente

distorsiuni care apar datorita neperiodicitatii semnalului aplicat

semnal aplicat de forma compus din zgomot alb si masurarea curentului rezultant

transformata Fourier resultate in domeniul frecventelor

Advantaje: achizitie rapida de date, un singur semnal aplicat pentru un timp foarte scurtnecesita zgomot alb

Solutii posibile: excitarea cu o suma de unde sinusoidale in locul zgomotului alb

t=0

Impedanta

3 aplicarea unei tensiuni (curent) cu o singura frecventa

defazajul si modulul curentului la acea frecventa

masurate

Aparate: masoara impedanta in functie de frecventa in domeniul 1mHz -100MHz

Parametri obtinuti folosind tehnica spectroscopiei de impedanta:

pentru material : conductivitate, constanta dielectrica, mobilitatea sarcinilorechilibrul concentratiilor particulelor incarcate electric,generarea si recombinare a sarcinilor din volum

pentru interfata material-electrod: constante de absorbtie, capacitatea electrica a regiunii de interfata, coeficientii de difuzie ai diverselor specii neutre

3

Impedanta

Raspunsul la aplicarea unui semnal extern cu amplitudine mica

semnal monocromatic aplicat curent masurat

diferenta de faza dintre tensiune si curent (zero, rezistenta pura )

Raspunsul elementelor capacitive si inductive:

folosind transformatele Fourier

similara legii Ohm pentru curent continuu

4

Impedanta

functia impedanta

marimea complexa pentru capacitate

pentru inductanta

Alte functii:

admitanta

susceptanta

impedanta reactanta

s – “serie”, p – “paralel”

5

Impedanta

functia modul

capacitatea celulei goale

Relatii dintre functii:

6

Impedanta

un mod arbitrar in alegerea circuitului echivalent: representarea serie sau paralel

Maxwell: considerand campul electric din material omogen , reprezentarea “naturala” este cea a unei rezistente in paralel cu o

capacitate

Pentru a gasi elementele echivalente in reprezentarea serie, impunem

7

Impedanta

Considerand expresia reactantei,

Chiar daca si nu depind de frecventa (nedispersive),

si depind de frecventa (dispersive)

8

Impedanta

In analiza prezentata am determinat elementele unui circuit serie echivalent unui circuit paralel format dintr-o rezistenta si o capacitate

Problema inversa : determinarea elementelor unui circuit paralel, echivalent unui circuit serie format dintr-o rezistenta si o capacitate

Este necesara evaluarea admitantei celor doua circuite

“paralel”

“serie”

9

Impedanta

Exprimand capacitatea circuitului serie se obtine expresiile:

nedispersive dispersive

alegerea reprezentarii depinde de analiza teoretica datelor experimentale 10

Impedanta

Proba aproximata cu o rezistenta si o capacitate in paralel

(conductie si deplasare )

mediu izotrop, camp electric constant

tensiune sinusoidala externa

mediu liniar, regim Ohmic

11

Impedanta

rezistenta echivalenta si reactanta, in reprezentarea serie:

frecventa unghiulara de relaxare a volumului

minimul reactantei

rezistenta constanta pana la

limita dc: R(0)=RB

12

Impedanta

13

semicerc cu centrul in (RB/2, 0)

in reprezentarea parametrica maximul valorii absolutea reactantei corespunde frecventei de relaxare a volumului

Impedanta

14

factor de disipatie tangenta unghiului format devectorul complex, impedanta, cu axa reala

limita dc: curentul nu este zero exista un schimb de sarcini intreproba si circuitul extern:electrozi neblocanti

Impedanta

Circuitul echivalent cu electrozi blocanti

nu exista curent dc prin proba

nemodificat

prezinta un maximsi un minim

15

Impedanta

maximul siminimul reactantei

Factorul de disipare

D are un maxim la aceeasi frecventa la carereactanta prezinta un minim

16

Impedanta

parte liniara legata de

tinde la infinit atunci cand

reactanta legata de este comparabila cu cea legata de proprietatile de volum numai pentru

si este neglijabila pentru 17

Impedanta

Circuitul echivalent al celulei cu electrozi neblocanti

poate exista curent dc prin proba

rezistanta si reactanta echivalente

limita dc

rezistenta pura

18

Impedanta

un nou platou in zona frecventelor mici legata de prezenta stratului de suprafata cu rezistenta finita

un nou minim al reactantei

factor de disipare

19

Impedanta

cercul din regiunea frecventelor mici este legat de proprietatile de suprafata, cel din regiunea frecventelor marieste legat de proprietatile de volum

20

Impedanta

JPCB, 109, 23444(2005), M.Becchi et al 21

Rezultate experimentaleImpedanta

Experimental : impedanta sau admitanta

Evaluarea Rp and Cp

Modele fizice

Curentul in electrolit: datorat mecanismului de drift-difuzie

neglijam difuzia analiza se face in regiunea frecventelor mari

Rolul electrozilor in procesul de conductie

blocanti, adsorbanti, ohmici modificarea spectrului in regiunea frecventelor mici

22

Impedanta

Rezultate neasteptate cresterea lui R in regiunea frecventelor mici

23

Impedanta

Interpretare fenomenologica

Impedanta de interfata

comportare diversa pana la

nu se modifica

pentru frecvente mari,impedanta interfeteinu modifica raspunsul electric

rugozitatea suprafetei?

24

Impedanta