1、 材料阻抗譜特性研究論文華中科技大學物理系作者：高芬（2001級2班 2001010120051） 朱小瑩（2001級2班 2001010120052） 張娟（2001級1班 2001010120002）黎麗（2001級1班 2001010120001）一、 物理基礎 當晶體的平移對稱性適用于整個晶體時，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、化學等多方面性質不同于單晶材料，反映了晶界結構對多晶材料性能的重要影響，從而引起人們不斷探索晶界結構及其對性能的影響，并先后提出了多種模型來描述晶界的結構。包括：(1) 非晶薄膜模型這種模型認為晶界部分是一非晶薄膜。從這種模型出發，不難得出晶界結構與晶粒大小，取向無關，大角晶界具有相同性質等結論。實驗證明，晶界的性質取決于取向差和界面指數。非晶薄膜模型與實驗結果的巨大差異，反映了這種模型的局限性。（2）位錯模型這種模型認為晶界由位錯組成，這種模型僅適用于小角晶界。實驗觀察證實了小角晶界的位錯模型。隨著晶粒取向差的增大，位錯間距減小，當取向差大于1015度后，界面上的位錯密度非常高，以致位錯芯互

3、相重合，無法區分出位錯來，位錯模型也就失去了它的意義。（3）島嶼模型針對小角晶界位錯模型存在的不足，提出了大角晶界的島嶼模型，認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域或無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，應歸于晶界。在晶界上，由于原子排列存在無序和化學成分偏析，形成斷程效應。對于每一個晶粒中間所形成的周期變遷，則形成長程效應。在說明絕緣體，導體和半導體的電性能時，能帶理論是很成功的。但是嚴格說來，這一理論只適合無限大的單晶體。對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，在原來禁帶區域產生了

4、局形窄的能帶，對于絕緣體和半導體，這些新的出現的局部窄形能帶使材料的電導增加，對于金屬等導體，其電導沒有顯著的影響。對于多晶體材料施加電場時，一般會使費米能級附近電子狀態分布產生變化。研究表明，這一變化將對電導給出貢獻，其貢獻值依賴于電子狀態密度，也依賴于電子散射。電子散射來源于晶界原子無序排列，即短程效應;也來源于晶粒中周期變化，即長程效應。若使用真實單晶作為標準，如果費米能級附近狀態密度在較大程度上增加，則電導增加，如絕緣體和半導體；如果晶界的存在導致增加電子擴散，則電導減小，如半導體和金屬。晶界區域的離子密度較低，晶界附近發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，但在半導體特別是絕緣體中，電子寬度將高于離子寬度，半導體或絕緣體的晶界區域具有不均勻的電場，因而對載流子產生一種斥力，這會造成電導的下降和晶界的電容特性。對于絕緣體，在高溫時會產生晶界的離子電導行為，并且這種離子電導通常成為整個電導的重要組成部分。一般絕緣體在一定的條件下具有電子電導，晶界的電子電導特性取決于晶粒間的擴散。一般的說，晶界的存在使材料的電性能下降。例如。多晶金屬導體的電導性比單晶差，多晶絕緣體的絕緣性也比單晶差。對于半導體，晶界可能是高電阻區，也可能是低電阻區，但是不管哪種情況，電性能都降低了。阻抗譜本來是電路技術中用復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構，從點特性角度來看，晶粒可等效為電阻，晶界可等效為電阻與電容并聯電路。多晶材料的這些特點使得人們常常用阻抗譜方法來研究多晶材料的晶粒和晶界特性。對于理想的多晶材料，其阻抗譜就是晶界電阻和晶界電容并聯再與晶粒電阻串聯后組成的復雜等效電路的阻抗譜。對于非理想多晶材料，可能在此基礎上還要考慮串聯進其它的電阻電容并聯電路。二、 實驗結果及分析測量各種材料的R-X并作出相應的分析.R表示復阻抗的實部,X表示復阻抗的虛部.復阻抗R-X圖（注意下面的Y軸都為負）: 這里用的是陶瓷材料：