材料阻抗谱特性研究论文

1、 材料阻抗谱特性研究论文华中科技大学物理系作者：高芬（2001级2班 2001010120051） 朱小莹（2001级2班 2001010120052） 张娟（2001级1班 2001010120002）黎丽（2001级1班 2001010120001）一、 物理基础 当晶体的平移对称性适用于整个晶体时，这种晶体叫做单晶。由大量单晶组成的材料叫做多晶材料。组成多晶材料的单晶体叫做晶粒，常规材料的晶粒大小在0.1 100um范围。晶粒之间的边界叫做晶粒间界，简称晶界。相邻两晶粒取向差小于10度的晶界叫做小角晶界，取向差大于10度的晶界叫做大角晶界。由于多晶材料中存在大量的晶界，使多晶材料的物理、

2、化学等多方面性质不同于单晶材料，反映了晶界结构对多晶材料性能的重要影响，从而引起人们不断探索晶界结构及其对性能的影响，并先后提出了多种模型来描述晶界的结构。包括：(1) 非晶薄膜模型这种模型认为晶界部分是一非晶薄膜。从这种模型出发，不难得出晶界结构与晶粒大小，取向无关，大角晶界具有相同性质等结论。实验证明，晶界的性质取决于取向差和界面指数。非晶薄膜模型与实验结果的巨大差异，反映了这种模型的局限性。（2）位错模型这种模型认为晶界由位错组成，这种模型仅适用于小角晶界。实验观察证实了小角晶界的位错模型。随着晶粒取向差的增大，位错间距减小，当取向差大于1015度后，界面上的位错密度非常高，以致位错芯互

3、相重合，无法区分出位错来，位错模型也就失去了它的意义。（3）岛屿模型针对小角晶界位错模型存在的不足，提出了大角晶界的岛屿模型，认为晶界由原子有序排列成的岛屿与围绕这些岛屿的原子排列较为混乱的区域或无序排列的岛屿被有序排列包围。同一组成的单晶材料与多晶材料在性能上所存在的差别，应归于晶界。在晶界上，由于原子排列存在无序和化学成分偏析，形成断程效应。对于每一个晶粒中间所形成的周期变迁，则形成长程效应。在说明绝缘体，导体和半导体的电性能时，能带理论是很成功的。但是严格说来，这一理论只适合无限大的单晶体。对于有限尺寸的晶体或多晶体就显得不够了。其原因是：在多晶体中，由于晶界的存在，在原来禁带区域产生了

4、局形窄的能带，对于绝缘体和半导体，这些新的出现的局部窄形能带使材料的电导增加，对于金属等导体，其电导没有显著的影响。对于多晶体材料施加电场时，一般会使费米能级附近电子状态分布产生变化。研究表明，这一变化将对电导给出贡献，其贡献值依赖于电子状态密度，也依赖于电子散射。电子散射来源于晶界原子无序排列，即短程效应;也来源于晶粒中周期变化，即长程效应。若使用真实单晶作为标准，如果费米能级附近状态密度在较大程度上增加，则电导增加，如绝缘体和半导体；如果晶界的存在导致增加电子扩散，则电导减小，如半导体和金属。晶界区域的离子密度较低，晶界附近发生电荷载子的重新分布，降低了静电能。电荷载子密度越高，其屏蔽越有

5、效。因此，在金属中，离子和电子宽度几乎相同，但在半导体特别是绝缘体中，电子宽度将高于离子宽度，半导体或绝缘体的晶界区域具有不均匀的电场，因而对载流子产生一种斥力，这会造成电导的下降和晶界的电容特性。对于绝缘体，在高温时会产生晶界的离子电导行为，并且这种离子电导通常成为整个电导的重要组成部分。一般绝缘体在一定的条件下具有电子电导，晶界的电子电导特性取决于晶粒间的扩散。一般的说，晶界的存在使材料的电性能下降。例如。多晶金属导体的电导性比单晶差，多晶绝缘体的绝缘性也比单晶差。对于半导体，晶界可能是高电阻区，也可能是低电阻区，但是不管哪种情况，电性能都降低了。阻抗谱本来是电路技术中用复平面表示电路阻抗随频率变化的一种方法。在多晶材料中，晶粒与晶界是两种基本的结构，从点特性角度来看，晶粒可等效为电阻，晶界可等效为电阻与电容并联电路。多晶材料的这些特点使得人们常常用阻抗谱方法来研究多晶材料的晶粒和晶界特性。对于理想的多晶材料，其阻抗谱就是晶界电阻和晶界电容并联再与晶粒电阻串联后组成的复杂等效电路的阻抗谱。对于非理想多晶材料，可能在此基础上还要考虑串联进其它的电阻电容并联电路。二、 实验结果及分析测量各种材料的R-X并作出相应的分析.R表示复阻抗的实部,X表示复阻抗的虚部.复阻抗R-X图（注意下面的Y轴都为负）: 这里用的是陶瓷材料：