Dielektrische Spektroskopie

Dielektrische Spektroskopie

Setzt man Materie einem elektrischen Feld aus, können Polarisationseffekte beobachtet werden. Diese treten jedoch nicht instantan auf, sondern sind je nach polarisierendem Mechanismus mit einer charakteristischen Zeit, der Relaxationszeit verknüpft. Beschrieben wird dieses dielektrische Verhalten der betrachteten Probe zumeist über die dielektrische Funktion, welche sowohl zeit- als auch frequenzabhängig gemessen werden kann. Im Frequenzbereich ist die dielektrische Funktion eine komplexe Größe, und Relaxationen können als Stufe im Realteil und Maximum im Imaginärteil gefunden werden, deren Lage durch die charakteristische Zeit bestimmt ist. In unserer Arbeitsgruppe stehen zwei Apparaturen zur Verfügung, die gemeinsam frequenzabhängige Messungen von 1mHz bis 1GHz ermöglichen. In diesem Frequenzbereich sind es hauptsächlich zwei Mechanismen, die eine Rolle spielen und als Relaxationen zu sehen sind.

Zum einen sind dies permanente Dipole, die sich in einem elektrischen Feld ausrichten. Dies führt zu einer makroskopischen Polarisation. Diese Polarisation als Antwort ist über das FDT mit einer Korrelationsfunktion verknüpft. Diese Korrelationsfunktion kann wiederum mit der mikroskopischen Dynamik in Verbindung gebracht werden. Die Korrelationsfunktion beschreibt die thermischen Fluktuationen im Gleichgewicht. Daher ist die in der Polarisation messbare Relaxationszeit von Temperatur und Probenmaterial abhängig. So ist es möglich durch Messung der makroskopischen Polarisation Rückschlüsse auch auf die mikroskopische Beweglichkeit der Dipole zu ziehen.

Weiterhin kann in diesem Frequenzbereich ionischer Transport beobachtet werden. Dieser zeigt sich zum einen in ionischer Leitfähigkeit, die ausschließlich zu dielektrischem Verlust bei niedrigen Frequenzen führt. Zum Anderen können sich Ionen an Grenzflächen heterogener Systeme ansammeln, und so zu Grenzlächenrelaxation führen. Letzteres ist auch als Maxwell-Wagner-Sillars Effekt bekannt.

Die Messung selbst geschieht zumeist, indem die Impedanz eines mit Probe gefüllten Kondensators mit der eines leeren Kondensators verglichen wird. Im niederfrequenten Bereich werden zumeist Amplitude und Phase von Strom und Spannung gemessen, im Falle höherer Frequenzen wird meist Reflexion und/oder Transmission der Probenzelle gemessen.

Messapparaturen für dielektrische Messungen

Novocontrol Alpha-N High Resolution Dielectric Analyzer

Frequenzbereich: 3·10-5 Hz bis 107 Hz

Auflösung: tan(δ)= 3·10-5

Novocontrol Quatro Kryosystem:

Temperaturbereich: 100 K bis ca. 500 K

HP-4191A RF Impedance Analyzer

Frequenzbereich: 106 Hz bis 109 Hz

Auflösung: tan(δ) = 10-2

Eigenbau Kryosystem:

Temperaturbereich: 130 K bis ca. 400 K

Einführende Literatur:

  • C.J.F. Böttcher, O.C. van Belle, P. Bordewijk, A. Rip: “Theory of Electric Polarization: Dielectrics in Static Fields Vol 1”, Elsevier (1973)
  • C.J.F. Böttcher, P. Bordewijk: “Theory of Electric Polarization: Dielectrics in Time-dependent Fields Vol 2”, Elsevier (1978)
  • F. Kremer, A. Schonhals, W. Luck: “Broadband Dielectric Spectroscopy”, Springer-Verlag (2002)

Bei Fragen wenden Sie sich bitte an Herrn Björn Kuttich oder Herrn .