Caracterización eléctrica de fronteras de grano en conductores iónicos mediante medidas de espectroscopia de impedancias en un bicristal

Abstract

En este trabajo se presentan resultados de medidas de espectroscopia de impedancias realizadas en un bicristal del conductor iónico zirconia estabilizada con itria (YSZ). Utilizando electrodos de tamaño micrométrico se ha podido medir el transporte iónico a través, perpendicularmente, de una única frontera de grano, caracterizando eléctricamente las propiedades de dicha frontera. De este modo se han obtenido los parámetros microscópicos que determinan la distribución de carga en la frontera y por lo tanto el transporte iónico a través de ella, como son la barrera de potencial en la frontera DF = 0.35±0.01 V a 275 ºC, y el espesor de la zona de carga espacial l * = 5±1 Å. Estos valores son significativamente diferentes a los obtenidos anteriormente en muestras cerámicas policristalinas del mismo material, y muestran mejor acuerdo con los valores que predice el modelo de Mott-Schottky para la distribución de carga y el transporte iónico a través de la frontera de grano. Palabras clave: Conductividad. Bordes de grano. Conductores iónicos. Electric characterization of grain boundaries in ionic conductors by impedance spectroscopy measurements in a bicrystalHere we show impedance spectroscopy measurements on a bicrystal of the ionically conducting yttria stabilized zirconia (YSZ). By using micrometer sized electrodes it is possible to measure ionic transport perpendicular to a single grain boundary, and characterize its electrical properties. We are thus able to obtain the microscopic parameters that determine the charge distribution at the grain boundary and the ionic transport through it, as the potential energy barrier DF = 0.35±0.01 V at 275 ºC, and the space charge layer thickness l * = 5±1 Å. These values are significantly different from those previously obtained in polycrystalline ceramic samples of the same material, and show much better agreement with the values predicted by the Mott-Schottky model for the charge distribution and ionic transport through the grain boundary. Kedywords: Conductivity. Grain boundaries. Ionic conductors. INTRODUCCIÓNCuando se reduce alguna de las dimensiones de un material hasta el rango de los nanómetros pueden aparecer comportamientos en sus propiedades físicas que se desvían del comportamiento que presenta el mismo material cuando sus dimensiones son mayores, típicamente por encima de la micra. Esto es debido a que las longitudes características que gobiernan muchos fenómenos físicos son típicamente del orden de unos pocos nanómetros. En los últimos años, debido a la posibilidad de acceder con mayor facilidad a la escala nanométrica, existe un elevado interés por estudiar este tipo de efectos de tamaño sobre las propiedades físicas de los materiales. En particular, en el área de los materiales conductores iónicos, la investigación en este tipo de efectos ha dado lugar a un nuevo campo científico que se ha dado en denominar "nanoiónicos" (1-4). Al disminuir el tamaño de grano en muestras nanocristalinas, o el espesor en películas ultradelgadas, aumenta drásticamente el número y...

Paving the way to nanoionics: atomic origin of barriers for ionic transport through interfaces

“…Nevertheless, a fit of the data to the Schottky model would yield △φ = 0.35 ± 0.01 V for the electrostatic barrier at 275 °C and a value λ * = 4.7 ± 0.9 Å for the thickness of the space charge layer (see Supplementary Figures S1 and S2 ). This value of λ * reflects the correct value of the extent of the oxygen vacancy concentration 39 , but this is coincidental since the underlying thesis of the Schottky model is not applicable.…”