材料阻抗譜特性研究論文

1、 材料阻抗譜特性研究論文華中科技大學(xué)物理系作者：高芬（2001級(jí)2班 2001010120051） 朱小瑩（2001級(jí)2班 2001010120052） 張娟（2001級(jí)1班 2001010120002）黎麗（2001級(jí)1班 2001010120001）一、 物理基礎(chǔ) 當(dāng)晶體的平移對(duì)稱性適用于整個(gè)晶體時(shí)，這種晶體叫做單晶。由大量單晶組成的材料叫做多晶材料。組成多晶材料的單晶體叫做晶粒，常規(guī)材料的晶粒大小在0.1 100um范圍。晶粒之間的邊界叫做晶粒間界，簡(jiǎn)稱晶界。相鄰兩晶粒取向差小于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、化學(xué)等多方面性質(zhì)不同于單晶材料，反映了晶界結(jié)構(gòu)對(duì)多晶材料性能的重要影響，從而引起人們不斷探索晶界結(jié)構(gòu)及其對(duì)性能的影響，并先后提出了多種模型來(lái)描述晶界的結(jié)構(gòu)。包括：(1) 非晶薄膜模型這種模型認(rèn)為晶界部分是一非晶薄膜。從這種模型出發(fā)，不難得出晶界結(jié)構(gòu)與晶粒大小，取向無(wú)關(guān)，大角晶界具有相同性質(zhì)等結(jié)論。實(shí)驗(yàn)證明，晶界的性質(zhì)取決于取向差和界面指數(shù)。非晶薄膜模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的巨大差異，反映了這種模型的局限性。（2）位錯(cuò)模型這種模型認(rèn)為晶界由位錯(cuò)組成，這種模型僅適用于小角晶界。實(shí)驗(yàn)觀察證實(shí)了小角晶界的位錯(cuò)模型。隨著晶粒取向差的增大，位錯(cuò)間距減小，當(dāng)取向差大于1015度后，界面上的位錯(cuò)密度非常高，以致位錯(cuò)芯互

3、相重合，無(wú)法區(qū)分出位錯(cuò)來(lái)，位錯(cuò)模型也就失去了它的意義。（3）島嶼模型針對(duì)小角晶界位錯(cuò)模型存在的不足，提出了大角晶界的島嶼模型，認(rèn)為晶界由原子有序排列成的島嶼與圍繞這些島嶼的原子排列較為混亂的區(qū)域或無(wú)序排列的島嶼被有序排列包圍。同一組成的單晶材料與多晶材料在性能上所存在的差別，應(yīng)歸于晶界。在晶界上，由于原子排列存在無(wú)序和化學(xué)成分偏析，形成斷程效應(yīng)。對(duì)于每一個(gè)晶粒中間所形成的周期變遷，則形成長(zhǎng)程效應(yīng)。在說(shuō)明絕緣體，導(dǎo)體和半導(dǎo)體的電性能時(shí)，能帶理論是很成功的。但是嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，這一理論只適合無(wú)限大的單晶體。對(duì)于有限尺寸的晶體或多晶體就顯得不夠了。其原因是：在多晶體中，由于晶界的存在，在原來(lái)禁帶區(qū)域產(chǎn)生了

4、局形窄的能帶，對(duì)于絕緣體和半導(dǎo)體，這些新的出現(xiàn)的局部窄形能帶使材料的電導(dǎo)增加，對(duì)于金屬等導(dǎo)體，其電導(dǎo)沒(méi)有顯著的影響。對(duì)于多晶體材料施加電場(chǎng)時(shí)，一般會(huì)使費(fèi)米能級(jí)附近電子狀態(tài)分布產(chǎn)生變化。研究表明，這一變化將對(duì)電導(dǎo)給出貢獻(xiàn)，其貢獻(xiàn)值依賴于電子狀態(tài)密度，也依賴于電子散射。電子散射來(lái)源于晶界原子無(wú)序排列，即短程效應(yīng);也來(lái)源于晶粒中周期變化，即長(zhǎng)程效應(yīng)。若使用真實(shí)單晶作為標(biāo)準(zhǔn)，如果費(fèi)米能級(jí)附近狀態(tài)密度在較大程度上增加，則電導(dǎo)增加，如絕緣體和半導(dǎo)體；如果晶界的存在導(dǎo)致增加電子擴(kuò)散，則電導(dǎo)減小，如半導(dǎo)體和金屬。晶界區(qū)域的離子密度較低，晶界附近發(fā)生電荷載子的重新分布，降低了靜電能。電荷載子密度越高，其屏蔽越有

5、效。因此，在金屬中，離子和電子寬度幾乎相同，但在半導(dǎo)體特別是絕緣體中，電子寬度將高于離子寬度，半導(dǎo)體或絕緣體的晶界區(qū)域具有不均勻的電場(chǎng)，因而對(duì)載流子產(chǎn)生一種斥力，這會(huì)造成電導(dǎo)的下降和晶界的電容特性。對(duì)于絕緣體，在高溫時(shí)會(huì)產(chǎn)生晶界的離子電導(dǎo)行為，并且這種離子電導(dǎo)通常成為整個(gè)電導(dǎo)的重要組成部分。一般絕緣體在一定的條件下具有電子電導(dǎo)，晶界的電子電導(dǎo)特性取決于晶粒間的擴(kuò)散。一般的說(shuō)，晶界的存在使材料的電性能下降。例如。多晶金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)性比單晶差，多晶絕緣體的絕緣性也比單晶差。對(duì)于半導(dǎo)體，晶界可能是高電阻區(qū)，也可能是低電阻區(qū)，但是不管哪種情況，電性能都降低了。阻抗譜本來(lái)是電路技術(shù)中用復(fù)平面表示電路阻抗隨頻率變化的一種方法。在多晶材料中，晶粒與晶界是兩種基本的結(jié)構(gòu)，從點(diǎn)特性角度來(lái)看，晶?？傻刃殡娮?，晶界可等效為電阻與電容并聯(lián)電路。多晶材料的這些特點(diǎn)使得人們常常用阻抗譜方法來(lái)研究多晶材料的晶粒和晶界特性。對(duì)于理想的多晶材料，其阻抗譜就是晶界電阻和晶界電容并聯(lián)再與晶粒電阻串聯(lián)后組成的復(fù)雜等效電路的阻抗譜。對(duì)于非理想多晶材料，可能在此基礎(chǔ)上還要考慮串聯(lián)進(jìn)其它的電阻電容并聯(lián)電路。二、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析測(cè)量各種材料的R-X并作出相應(yīng)的分析.R表示復(fù)阻抗的實(shí)部,X表示復(fù)阻抗的虛部.復(fù)阻抗R-X圖（注意下面的Y軸都為負(fù)）: 這里用的是陶瓷材料：