不同掺杂tio2的介电及复阻抗研究

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1、不同掺杂TiO2的介电及复阻抗研究承担者：应用物理0201班方圆（学号：012002000413）、陈雨（学号：012002000410）、田引军（学号：012002000423）指导老师：唐超群一，样品的交流阻抗测试阻抗谱是一种测量材料及其界面电性能的方法。它是通过向测量体系施加小幅交流信号，在较宽的频率范围内测量其响应而得到体系的阻抗与频率的关系阻抗谱。对阻抗谱进行解析，可以得到体系的性质和动力学参数。阻抗谱在固体电解质方面的应用已非常普遍，近年来对阻抗的解析方法也取得了较好的进展。下面是应用惠普公司阻抗分析仪（HEWLETT4284A20HZ-1MHZ）测量掺杂的TiO2的抗阻抗谱，

2、并由此研究了掺杂的TiO2的电导特性及其作用机理。阻抗谱的测量原理一般用复平面阻抗分析法进行电阻的测量。典型的测量方法是把待测的样品构成一个单电池，在掺杂的TiO2样品的两边涂上适当的银浆作电极，一个电信号（频率在20HZ~106HZ之间）V=V0eiwt施加在两个电极上，然后测量通过电池的电流I=I0eiwt或者相反。电池的阻抗可按下式计算：以虚数部分的相反数Z”=Z0sinΦ作为Y轴，实数部分Z’=Z0cosΦ作为X轴，在复平面上作图，结果表明：模数Z0和相角Φ同时取决于信号的圆频率ω，当改变ω时，Z的数值描绘出表征电池特性的轨迹。由于电池的阻抗是由电解质阻抗、电极界面貌一新阻抗组成的

3、。而电解质阻抗又是由电解质晶粒电阻、晶界电阻、电极界面电阻、晶粒电容、晶界电容的总阻抗组成的。因此可以把构成电池阻抗的各部分视为“电器元件”（电阻及电容），电池的阻抗就可以用这些“电器元件”的串联、并联电路的阻抗表示。这些电器元件的串联、并联电路成为等效电路。多晶TiO2基固体电解质材料的交流阻抗包括晶粒、晶界和电极/电解质界面阻抗，因此其等效电路可表示为图3-1（a），由于晶粒电容CB很小，该等效电路可简化为如图3-1（b），而相应的理想阻抗谱则如图3-1（c）所示，它由三个半圆组成，每个半圆对应于一个特定的时间常数和驰豫时间的RC并联电路。相应于每个半圆n的顶点频率是：ω”max=(R

4、nCn)-1倘若驰豫时间能分得开，半圆就容易确定。对于多晶TiO2，低频半圆是由于电极的贡献，中频半圆是由于晶界的贡献，高频半圆是由于晶粒的贡献，图3-1中实轴上的相截点R1，R2和R3与等效电路有如下的关系：R1=RB,R2=RB+RGB,R3=R2+RE,RE是电极/电解质界面电阻。所以理论上复数平面阻抗分析可能以简单和极好的方法分离晶粒电阻和晶界电阻。图3-1（晶粒，晶界和电极/电解质界面的等效电路）利用电阻和电容的串联和并联关系模型，可以得到不同电路的标准阻抗谱，如图3-2所示。实际测量中，测出电池的阻抗普图，根据阻抗谱特征和测量条件，作出可能的等效电路，可解析出电解质和电极过程参

5、数。图3-2（电阻和电容的不同串并联关系及其所对应的标准阻抗谱）下面以图3-2（e）为例，用数学方法证明等效电路与相应的阻抗谱的关系。对图3-2（e）中的电路，对应的复阻抗有：复阻抗谱测试系统的组成复阻谱测试系统由六个部分组成：无保护套管铜-康铜热电偶，可调压电炉、数字毫伏表、阻抗分析仪、测试样品。使用无保护套管铜-康铜热电偶和数字毫伏标在测试过程中是起测温的作用，使用前先对其进行标定，使用时热电偶探头要紧贴样品；可调压电炉用来控制温度；利用惠普公司阻抗分析仪（HEWLETT4284A20HZ-1MHZ）测试Te1-xYxO2-x/2材料R（电阻实部）值和X（电阻虚部）值随频率变化关系，测

6、试时仪器的参数为：LEVEL=1V，INTER=MED，AVG=20（表示仪器在某一频率下测量20次后得到平均值），BIS=0，ANGE=AUTO。无保护套管铜-康铜热电偶测温仪的制作和标定：将铜丝和康铜丝的一端绞合在一起，通过电弧放电烧结在一起，形成一个光滑的球面，然后用一个标准的热电偶进行较正，得到温度与所测的电动势的关系如表3-1所示，将实验所得的数据以温差电动势为横坐标，温度为纵坐标作曲线，如图3-3所示。表3-1铜-康铜热电偶温度-电压对应关系表温度℃250300350400450500550电压mV10．214．117．121．824．929．033．1图3-3（铜-康铜热电欧

7、温度-电压关系图）将标定数据在电热-温度坐标系中进行直线拟合，如图所示。从图可以看出铜-康铜热电偶的温度-电压变化关系为线性关系，可以用于实验。用最小二乘法可求得其热温度-电势的函数关系为：.T=13.22U+115.787其中T的单位为℃，U的单位为mV。由此关系时只要知道热电偶的热电热U就可以算出相应的温度。交流阻抗谱的测试结果对于不同烧结温度，不同Nb2O5掺杂量的TiO2陶瓷材料的R,X（实部，虚部）-f关系的测