Electric characterization of grain boundaries in ionic conductors by impedance spectroscopy measurements in a bicrystal

Abstract

Here 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 ΔΦ = 0.35±0.01 V at 275 ºC, and the space charge layer thickness λ* = 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.

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 ΔΦ = 0.35±0.01 V a 275 ºC, y el espesor de la zona de carga espacial λ* = 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.