Leitfähigkeitsmessungen an ionenleitenden Kristallen

2 Beschreibung der Apparatur und
Messprinzip
Für Impedanzmessungen an Kristallen müssen diese in geeigneter Art und Weise kontaktiert
werden. In unserem Aufbau, siehe Abb. 2.1, wird dafür eine Kieler Zeller der
Firma Ionic Systems verwendet. Die mit Metallelektroden beschichtete Probe (1) befindet
sich zwischen zwei Platin-Folien (2). Um den Kontakt zu verbessern werden die Folien
zusammen mit den Leitungsdrähten (5) zwischen Keramikplatten (3) mit Hilfe eines
gefederten Stabs (4) gepresst. Dieser Aufbau befindet sich in einem doppelwandigem
Glasbehälter (6) der für sehr hohe Temperaturen noch mit Schutzgas gespült werden
kann um reaktionsfreudige Materialien zu schützen. Die Temperatur des Ofens (7) kann
durch einen Eurotherm 2216e Temperaturregler eingestellt werden. Dieser Regler steuert
über ein Relais die Heizleistung des Ofens. Die Probentemperatur selbst wird mit
einem Fühler in der Nähe der Probe mit einem weiteren Eurotherm 2216e ausgelesen
und am Computer protokolliert.
Beide Temperaturen können mit dem Computer über eine serielle Schnittstelle ausgelesen,
sowie die Ofentemperatur zusätzlich noch gesteuert werden. Auf diese Weise kann
der gesamte Messprozess automatisiert werden.
Der verwendete Impedanzanalysator (Hewlett-Packard 4192A) erlaubt es eine Spannung
von 50 mV-1.2 V im Frequenzbereich von 5 Hz-13 MHz an die Probe anzulegen.
Dank des eingebauten Mikroprozessors können u.a. folgende Parameter direkt gemessen
werden:
• Betrag von Z und den Phasenwinkel φ;
• Realteil Z ′ und den Imaginärteil Z ′′ der Impedanz;
• Realteil Y ′ und den Imaginärteil Y ′′ der Admittanz;
Die Wahl des Frequenzbereichs, der Signalamplituden und der Messart kann mit Hilfe
des Programms QImp durchgeführt werden. Zudem kann damit auch die Temperatur des
Ofens eingestellt werden.
2.1 Messprinzip
An die Probe wird die variable Spannung V ∗ = V 0 exp(iωt) mit der Amplitude V 0 und
Frequenz ω angelegt. Der Strom kann dann beschreiben werden durch I ∗ = I 0 exp[i(ωt−
φ)] wobei der Winkel φ die Phasenverschiebung des Stromes in Bezug auf die angelegte
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