SPEKTROSKOPIA

IMPEDANCYJNA

Rafał Krupa

DEFINICJA SPEKTROSKOPII

IMPEDANCYJNEJ

Spektroskopia impedancyjna (IS) oznacza

pomiar liniowej, elektrycznej odpowiedzi

badanego materiału na pobudzenie małym

sygnałem elektromagnetycznym w

szerokim paśmie częstotliwości i analizę

tej odpowiedzi w celu uzyskania

użytecznej informacji o fizykochemicznych

właściwościach badanego materiału.

SPEKTROSKOPIA IMPEDANCYJNA

Wyniki pomiarów uzyskane metoda SI zawierają

wartości części rzeczywistej i urojonej impedancji

lub admitancji obiektu, zmieniające się w funkcji

czasu lub częstotliwości. Parametrami, czyli

zewnętrznymi czynnikami wymuszającymi, są

zależnie od potrzeb: temperatura, wilgotność, fala

świetlna, gaz, ciśnienie itp. Pomiary dostarczają

również informacji o geometrii próbki i wpływie

elektrod oraz doprowadzeń na charakterystyki

impedancyjne. Otrzymany - w wyniku pomiaru -

zbiór wartości zespolonej wielkości elektrycznej,

zmierzonej w funkcji częstotliwości w przedziale

kilku dekad, pozwala na pełna analizę dynamicznych

właściwości mierzonego obiektu.

SPEKTROSKOPIA IMPEDANCYJNA

Właściwości te dla układów liniowych w
dziedzinie częstotliwości opisuje zwykle
transmitancja widmowa H(ω)
Wielkość ta charakteryzuje w prosty sposób
zależność miedzy wejściowym sygnałem
sinusoidalnym x(t)=X.sin(ωt), a odpowiedzią w
postaci sygnału sinusoidalnego, przesuniętego w
fazie y(t)=Y.sin(ωt+φ ) dla tej samej pulsacji ω

gdzie moduł |H(ω)| = Y/X i argument φ = ArgH(ω )
= φ (ω ) są znane jako amplitudowa i fazowa
charakterystyka transmitancji widmowej H(ω).

SPEKTROSKOPIA IMPEDANCYJNA

• Impedancje wyrażają wzory:

gdzie: Re Z i Im Z są częścią rzeczywista i urojona

impedancji.

Zależności miedzy przedstawionymi wielkościami są

następujące:

SPEKTROSKOPIA IMPEDANCYJNA

Z definicji impedancji Z(ω) wynika, że każdy pomiar

będzie się sprowadzał do określenia wartości

amplitudy prądu płynącego przez obiekt i

przesunięcia fazowego miedzy tym prądem a

przyłożonym napięciem.

Spektroskopia impedancyjna nie ogranicza się do

pomiarów i analizy impedancji obiektu, np. w funkcji

częstotliwości, lecz może posłużyć się również

innymi podstawowymi wielkościami zespolonymi:

admitancją Y(ω), pojemnością C(ω) lub modułem

elektrycznym M(ω).W zależności od badanego

materiału i wielkości mierzonej mówi sie o

spektroskopii admitancyjnej, dielektrycznej,

fotoadmitancyjnej i modułu elektrycznego.

SPEKTROSKOPIA IMPEDANCYJNA

Podstawowe wielkości opisujące dynamiczne właściwości mierzonego

systemu

w dziedzinie częstotliwości

Analiza wyników pomiarów polega na

budowie modelu matematycznego

opisującego zjawiska fizyczne

charakterystyczne dla danego obiektu i

dopasowaniu powstałego modelu do

danych eksperymentalnych, uzyskanych w

możliwie szerokim zakresie częstotliwości,

z reguły od 10 µHz do około kilkuset MHz.

Zakres mierzonych impedancji jest bardzo

szeroki: od 10

-3

Ω do 10

12

Ω.

SPEKTROSKOPIA IMPEDANCYJNA

Spektroskopia impedancyjna

umożliwia:



pomiary zmiennoprądowe materiałów w funkcji

temperatury, wilgotności, napięcia polaryzacji,

naprężeń mechanicznych i oświetlenia itp.



ocenę wpływu mikrostruktury, składu chemicznego,

domieszek, porowatości, defektów i stechiometrii

badanego materiału na przebieg charakterystyk

impedancyjnych – modelowanie komputerowe.



budowę elektrycznych modeli równoważnych –

analogów procesów fizycznych zachodzących w

badanych strukturach.



identyfikacje mechanizmów przewodnictwa i

polaryzacji elektrycznej a także separacje efektów

objętościowych, przyelektrodowych i na

powierzchniach granicznych.

Metody badania materiałów w

dziedzinie czasu i częstotliwości

Zastosowania spektroskopii

impedancyjnej

• Materiały i konstrukcje budowlane, korozja
• Farby, pokrycia
• Materiały ceramiczne
• Kompozyty, polimery
• Elementy i układy elektroniczne
• Monitory
• Baterie i ogniwa
• Biomateriały, materiały biologiczne

Spektroskopia impedancyjna w

badaniach struktur MIS

• Konstruowanie układu równoważnego

struktury MIS i jego analiza umożliwiają
uzyskanie informacji o procesach
zachodzących w badanej strukturze, jej
parametrach i wpływie technologii na te
parametry.

• Takie podejście dotychczas nie było

stosowane w badaniach struktur MIS i
stwarza szerokie możliwości wykorzystania,
szczególnie do analizy struktur związek
półprzewodnikowy AIIIBV - dielektryk