D5 Elektrische Charakterisierung (Impedanz und Hysterese)

Thema

Die Messung der Ionenleitfähigkeit, der Dielektrizitätskonstante und der ferroelektrischen Eigenschaften einer Keramik – das Ziel dieses Modells – erfolgt mit zwei unterschiedlichen elektrischen Messverfahren. Da jedes Verfahren einen anderen Aspekt der elektrischen Eigenschaften der Keramik erfasst, decken sie gemeinsam sowohl deren Leitfähigkeit als auch deren ferroelektrisches Verhalten ab.

Die Impedanzspektroskopie misst die Ionenleitfähigkeit dieser drei Größen. Zur Interpretation der Materialreaktion modelliert dieses Verfahren sie als elektrischen Schaltkreis mit einem parallel geschalteten Widerstand und Kondensator, wobei einer das Keramikkorn und der andere die Korngrenze repräsentiert. Aus diesem Schaltkreis wird der Volumenwiderstand ermittelt. Ein höherer Volumenwiderstand führt zu einer geringeren Leitfähigkeit, ein niedrigerer Volumenwiderstand hingegen zu einer höheren Leitfähigkeit. Genau diese Leitfähigkeit charakterisiert ein weiteres Modell dieser Reihe, das die Ionenleitfähigkeit beschreibt.

Die Hystereseschleife zwischen Polarisation und elektrischem Feld hingegen quantifiziert die ferroelektrischen Eigenschaften und somit die in jedem Zyklus dissipierte Energie. Die Tatsache, dass die Hystereseschleife eine bestimmte Fläche umschließt, bedeutet, dass diese Fläche die in jedem Zyklus dissipierte Energie repräsentiert. Die Tatsache, dass die Form dieser Hystereseschleife variiert, bedeutet, dass sie die ferroelektrische Reaktion des Materials unterschiedlich quantifiziert. Diese ferroelektrische Reaktion wiederum charakterisiert ein weiteres Modell innerhalb dieser Gruppe, nämlich dasjenige, das Ferroelektrizität beschreibt.

Daher ermöglicht dieses Modell mit den beiden verwendeten elektrischen Messverfahren die Charakterisierung der beiden Modelle innerhalb dieser Gruppe, die von seinen Ergebnissen abhängen: das Modell, das die Ionenleitfähigkeit beschreibt, wobei die Leitfähigkeit durch den mittels Impedanzspektroskopie ermittelten Volumenwiderstand bestimmt wird, und das Modell, das Ferroelektrizität beschreibt, wobei die ferroelektrische Reaktion durch die Hystereseschleife zwischen Polarisation und elektrischem Feld quantifiziert wird.

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