测量光增强离子电导率
June 2, 2022 by Dino Klotz
薄膜测量是在良好控制的制造和测试条件下表征新材料的电子、离子、磁性、介电或光学特性的重要工具。阻抗谱因此提供了对电子特性的最详细的访问。
MFIA阻抗分析仪和带有MF-IA选项的MFLI锁定放大器非常适合以可靠和快速的方式测量此类薄膜的通常非常大的面内电阻。
这篇博客文章介绍了来自麻省理工学院和九州大学的托马斯·德费雷尔、迪诺·克洛茨、胡安·卡洛斯·冈萨雷斯·罗西洛、詹妮弗·L·M·鲁普教授和哈里·L·图勒教授所做的工作。Dino Klotz在发表这项工作后不久加入苏黎世仪器公司，担任应用科学家阻抗分析，最终登上了《自然材料》2022年4月的封面。
图1.Dino与Zurich Instruments MFIA阻抗分析仪和2022年4月出版的《自然材料》杂志一起展示了薄膜表面的艺术效果图，薄膜表面的不同颗粒由黑色晶界分隔，光线“增强”了阻挡晶界的离子电流。
研究内容
在这项工作中，分析了紫外光对3%Gd掺杂的CeO2（GDC）薄膜的晶界电阻的离子电导率的影响。GDC是高温燃料电池和电解槽中最重要的氧离子导体之一。然而，在较低的掺杂水平下，它具有较大的晶界电阻，这使得多晶样品的电阻比单晶高两到三个数量级。附加电阻在很大程度上是由晶界核的正电荷引起的空间电荷区和相关势垒引起的。
研究表明，在紫外光照射下，在250°C时，其光子能量略高于GDC的带隙，可以将晶界电阻降低72%。此外，可以证明这种效应不是由热、电子传导、表面催化或其他效应引起的。这些发现基于MFIA测量的电化学阻抗谱（EIS）。
图2.（左上）黑暗中的EIS；（右上）紫外光下的EIS；（底部）单频阻抗瞬变（SFIT），当光源打开时（t1）监测样品电阻的演变。
电化学阻抗谱（EIS）
电化学阻抗谱（EIS）是分析稳态电化学系统的一种非常有效的方法。导电性、电荷转移和扩散等特性可以在操作中测量。小信号激励确保DUT保持在其预定义的工作点。
然而，这项研究需要对观察到的光效应背后的机制有更多的见解。当灯打开时，在转换期间相关参数的动态演变可以帮助提供更深入分析所需的附加信息。
因此，经典EIS很难与此类测量结果相一致，因为稳态条件是EIS的基本要求之一。在半导体领域，深能级瞬态光谱（DLTS）是一种通过施加电压脉冲并监测高频电容随时间的变化来确定某些缺陷能级的成熟技术。
单频阻抗瞬变（SFIT）
在这项研究中，使用了一种类似的技术：单频阻抗瞬变（SFIT），其中连续测量一个特定频率的阻抗。例如，高频SFIT测量已用于通过将欧姆电阻与电解质温度相关来确定燃料电池或电池中的温度演变[1，2]。
由于在DUT经历转变时不可能测量全阻抗谱，因此另一种方法是监测特定频率下作为时间函数的阻抗，并在时域中分析其动态。电阻或电容都可以用作特定过程或行为的指示参数。
图2所示的方法很好地补充了经典的EIS分析，其中在两个不同的静态操作点记录的光谱分别代表了系统在稳态下的特性。相关参数（例如在某一频率下的电容和电阻）的演变可以提供关于变化动态的附加信息，从而提供关于确切机制和驱动力的更多信息。
研究结论
在这项工作中，得出的结论是，光生电子行进到晶界，在那里它们被捕获并补偿了正的核心电荷，从而减轻了黑暗中晶界处的势垒。相反的过程，当灯关闭时，电阻增加，速度稍慢。它受到空穴从本体到晶界的扩散时间的限制，在那里它们必须与捕获的电子重新结合，以使晶界恢复到其初始状态。
这项工作得到了JSPS核心到核心计划的支持，A.高级研究网络：“用于更快离子传输的固体氧化物界面”，能源部，基础能源科学和瑞士国家科学基金会。
