ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 02.04.2021

Просмотров: 340

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
background image

Page 10 of 57

Accepted Manuscript

10

where

7

7

0

5

5

4

4

3

3

2

2

1

1

)

(

)

(

)

(

a

k

C

a

k

a

k

a

k

a

k

C

k

a

F

I

i

L

v

U

(17)

3

3

2

2

1

1

b

k

b

k

C

k

b

F

I

L

e

L

(18)

1

k

F

I

L

v

(19)

0

5

(

)

i

I

F

k

 

(20)

Here, it is assumed that 

t

j

Ue

U

U

U

U

  and  we identify the four terms on the right 

side  as  arising  from  relaxations  with  respect  to  the  applied  potential 

V

,    the  thickness  of  the 

barrier layer with respect to the voltage at the bl/ol interface, 

U

, cation vacancies,

L

C

, and cation 

interstitials,

0

i

C

, respectively.  Note the absence of a term for the relaxation of oxygen vacancies, 

because, again, the concentration of oxygen vacancies does not appear in the current [Equation 

(1)], as a consequence of assuming Reaction (3), Figure 1, to be irreversible.

Let us now calculate

U

C

U

C

U

L

i

L

v

0

and

,

.  It is convenient to start with

U

L

.  The rate of 

change of the thickness of the barrier layer is described by Equation (9).  Accordingly, by taking 

the total differential, we have

V

a

k

L

b

k

U

a

k

k

k

Le

j

dt

L

d

t

j

7

7

3

3

3

3

7

3

)

(

(21)

or

3

3

7

7

3

3

)

(

b

k

j

a

k

a

k

U

L

L

U

(22)


background image

Page 11 of 57

Accepted Manuscript

11

which is the result that we desire.

2.2. Calculation of 

U

C

i

0

The flux density of interstitials is 

i

i

i

i

i

KC

D

x

C

D

J

(23)

Here, 

D

is the diffusion coefficient of the cation interstitials, 

K = Fε/RT

, where 

ε 

is the electric 

field strength inside the barrier layer, and 

T

 is the temperature.  The continuity equation is 

x

C

K

D

x

C

D

t

C

i

i

i

i

i

2

2

(24)

with the boundary conditions 

0

at  

  

5

KC

D

x

C

D

C

k

i

i

i

i

i

(25)

Substitution 

t

j

i

i

i

e

C

C

C

  into  Equations  (23)  to  (25)  and  linearization  of  boundary 

conditions relative to 

ΔU

 and 

ΔL

 yields:

x

C

K

D

x

C

C

j

i

i

2

i

2

i

(26)

or

0

at  

)

(

0

0

0

5

0

5

C

K

D

x

C

D

C

U

a

C

k

i

i

x

i

i

i

i

(27)


background image

Page 12 of 57

Accepted Manuscript

12

 L

C

K

D

x

C

D

)

L

b

U

a

(

k

L

i

i

L

x

i

i

2

2

2

at  

(28)

Analytical  solution  of  the  linear  boundary  problem  (26)  –  (28)  can  be  easily  obtained  and  the 

sought value 

U

C

i

/

0

 can be presented in the following bulky form:

U

L

C

C

U

B

A

U

C

iL

iU

i

0

0

0

(29)

where

21

12

22

11

12

11

2

21

22

1

0

)

(

)

(

a

a

a

a

a

a

b

a

a

b

C

U

U

iU

(30)

21

12

22

11

12

11

2

0

)

(

a

a

a

a

a

a

b

C

L

iL

(31)

2

D

/

j

4

K

K

r

i

2

2

2

,

1

(32)

L

r

i

L

r

i

i

i

e

D

K

r

a

e

D

K

r

a

k

D

K

r

a

k

D

K

r

a

2

1

)

(

   

,

)

(

,

)

(

    

,

)

(

2

22

1

21

5

2

12

5

1

11

(33)

2

2

2

2

2

2

0

5

5

1

   

,

    

,

b

k

b

a

k

b

C

a

k

b

L

U

i

U

   

(34)

The reader should note that the expressions given above for cation interstitials are exactly 

the same for oxygen vacancies, with the oxidation number, 

, being replaced by 2, Subscript 2 

being replaced by Subscript 3, and Subscript 5 being replaced by Subscript 6, so as to identify 

the correct reactions in Figure 1.


background image

Page 13 of 57

Accepted Manuscript

13

2.3. Calculation of

U

C

L

v

By analogy it can be shown that: 

L

U

L

C

C

U

Be

Ae

U

C

L

vL

L

vV

L

r

L

r

L

r

L

2

2

1

(35)

where

21

12

22

11

21

1

11

2

12

2

22

1

2

1

)

(

)

(

a

a

a

a

e

a

b

a

b

e

a

b

a

b

C

L

r

U

U

L

r

U

U

L

vU

(36)

21

12

22

11

12

2

11

2

1

2

a

a

a

a

e

a

b

e

a

b

C

L

r

L

L

r

L

L

vL

(37)

2

/

4

2

2

2

,

1

v

D

j

K

K

r

(38)

where

L

r

v

L

r

v

v

v

e

k

D

K

r

a

e

k

D

K

r

a

D

K

r

a

D

K

r

a

2

1

]

)

[(

   

,

]

)

[(

,

)

(

    

,

)

(

1

2

22

1

1

21

2

12

1

11

(39)

1

1

2

1

1

2

4

4

1

   

,

  

,

b

C

k

b

C

a

k

b

a

k

b

L

v

L

L

v

U

U

  

(40)

By  substituting  Equations  (22),  (29)  and  Equation  (35)  into  Equation  (16)  we  have  the  final 

result

)

(

)

(

0

0

0

0

U

iL

iU

i

U

L

vL

L

vU

L

v

U

L

U

F

L

C

C

I

L

C

C

I

L

I

I

Y

(41)

If 

k

1

 = 0, we have


background image

Page 14 of 57

Accepted Manuscript

14

)

(

0

0

0

0

U

iL

iU

i

U

L

U

F

L

C

C

I

L

I

I

Y

(42)

If, in addition, we can neglect changes in the cation vacancy concentration (for example, at high 

frequencies) or χ = δ, we have

U

L

U

F

L

I

I

Y

0

(43)

3

3

7

7

3

3

0

)

(

b

k

j

a

k

a

k

I

I

Y

L

U

F

(44)

where constants 

I

U

 and 

I

L

 are described by Equations (17) and (18). In the simplest case, when it 

is possible to neglect changes in the thickness of boundary layer (for example when 

L

 is less 

than  diameter  of  the  iron  atom),  the  impedance  of  the  barrier  layer  reduces  to  the  ohmic 

resistance

U

F

F

I

Y

Z

0

0

/

1

.

The  reader  will  again  note  that  the  expression  for  the  current,  Equation  (1),  does  not 

contain the concentration of oxygen vacancies.  This is, because Reaction (3), Figure 1, for the 

generation  of  oxygen  vacancies is  considered to  be  irreversible and  because Reaction  (6)  does 

not contribute to the electron current, as previously noted.  However, physically, the transport of 

oxygen vacancies across the barrier layer still occurs, and hence is expected to impact the film 

growth rate at the m/bl interface and hence the current from that process, and may determine the 

total passive current density if the oxygen vacancy were found to be the dominant defect in the 

barrier  layer.    In  the  case  of  iron,  the  dominant  defect  is  the  metal interstitial.    Importantly,  it 

should be noted, as has already been done, that the equations describing the transport of oxygen 

vacancies are identical with  those describing the transport of metal interstitials, except that the 

charge 

χ

 is replaced by 2.  Thus, the contributions to the impedance of each of these defects are