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indistinguishable,  even  if  oxygen  vacancies  appeared in  the  formal  analysis.    However, in  this 

particular  case,  where 

δ

  = 

χ

  =  3,  even  the  concentration  of  the  interstitial  does  not  enter  the 

problem, because of Equation (1) and because rate of Reaction (2), Figure 1, is also considered 

to  be  irreversible  and  hence  does  not  depend  on  the  interstitial  concentration  at  the  m/bl 

interface.  Thus, the Faradaic impedance  does not include a relaxation for the concentration of 

any defect, but transport clearly occurs.  In order to overcome this artifact, we added a Warburg 

impedance for defect motion in accordance with Chao, Lin, and Macdonald [22].    

2

/

1

2

/

1





j

Z

W

(45)

where 

 is the Warburg coefficient and 

 is the angular frequency.  As previously shown [22], 

the Warburg coefficient can be written as

ss

I

D

)

1

(

2

/

2

/

1

2

/

1

(46)

where 

I

ss

  is  the  steady-state  passive  current  density, 

  is  the  electric  field  strength  within  the 

barrier layer, 

D

 is the defect diffusivity, and 

 is the polarizability of the barrier layer/solution 

interface.  Parenthetically,  the Warburg coefficient may be used to obtain the diffusivity of the 

defect within the barrier layer, by rearranging Equation (46) to yield:

2

2

2

2

/

1

2

ss

I

D

(47)

as is shown below. 

It is important to note that the electronic defect structure of the barrier layer, and hence 

the electronic character (whether p-type or n-type) is defined by the distributions of the defects 

across the layer.  This is because cation vacancies are electron acceptors, which dope the barrier 


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layer  p-type,  whereas  cation  interstitials  and  oxygen  vacancies  are  electron  donors,  thereby 

doping the barrier layer n-type. 

Estimation  of defect distributions  within  the barrier layer in the steady state and in the general 

case  can  be  performed  via  analytical  solution  of  linear  balance  equations  (see  below).  

Accordingly,  by  knowing  the  kinetic  parameters  obtained  from  the  EIS  studies,  it  would  be 

possible to calculate the concentrations of the defects in the barrier layer and hence to predict the 

electronic character.

3. Impedance Model

The electrochemical reactions that occur at the metal/film and film/solution interfaces of 

the  barrier  layer  (Figure  1)  contribute  to  the  impedance  of  a  system.    Therefore,  the  total 

impedance  of  the  system,  which  comprises  all  of  the  contributory  interfacial  phenomena, 

including  those  at  the  metal/film/solution  interphase  plus  the  resistance  of  the  solution  can  be 

represented  by  an  electrical  equivalent  circuit.    Figure  2  shows  the  equivalent  circuit  for  the 

metal/film/solution interphasial system that is proposed, in order to analyze the passivity of iron. 

Figure 2

 (Electrical equivalent circuit)

The total impedance of the system is expressed by Equation (48):

s

w

f

randles

e

cg

R

Z

Z

Z

Z

Z

Z

1

1

1

1

(48)

where 

Z

f  

is the Faradaic impedance associated with the reactions occurring at the metal/film and 

film/solution  interfaces. 

Z

w

  is  the  Warburg  impedance  associated  with  the  transport  of  defects 

through  the  barrier  layer,  and  is  expressed  by  Equations  (45)  to  (47), 

Z

e

  is  the  electronic 


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impedance,  due  to  the  transport  of  electronic  defects  (electrons  and/or  holes),  and 

C

is  the 

geometrical  capacitance  of  the  barrier  layer.    In  the  present  analysis,  we  represent  the 

geometrical  capacitance  with  a  constant  phase  element  (

CPE

),  because,  on  a  polycrystalline 

substrate, there is expected to exist a distribution of passive film thickness on the various grain 

faces  exposed  to  the  solution  and  hence  it  is  expected  that  a  distribution  will  exist  in  the 

capacitance of the film.  

R

s

 is the resistance of the electrolyte between the oxide layer and the tip 

of the Luggin probe, and 

Z

randles

 is the impedance associated with the redox reactions occurring at 

the barrier layer/solution interface and expressed by Equation (49)

1

1

1

Cdl

Rct

randles

Z

Z

Z

  (49)

Note that 

Z

randles

 exists in series with 

Z

e

, because the redox reaction, which it represents, accepts 

the electronic charge that by-passes the Faradaic impedance, 

Z

f

 (Figure 2).

The  electronic  impedance, 

Z

e

,  can  be  expressed  as  a  complex  number,  the  component 

values  of  which  can  be  calculated  from  fundamental  theory.    In  most  of  the  previous  studies 

reported by this group [39-41] an electronic resistance (

R

e,h

) has been used instead of 

Z

randles

 in 

series with 

Z

e

.  The role of 

R

e,h

 is to short-circuit the Faradaic and defect Warburg impedances, as 

indicated by the electrical analog given in Figure 2.  However, since free electrons do not exist in 

the  solution,  the electronic  charge  moving  through  the barrier layer  must be accepted by some 

redox  couple  in  the  solution  at  the  bl/solution  interface.    This  redox  couple  could  be 

H

2

/H

+

O

2

/H

2

O

, or 

Fe

3+

/Fe

2+

, for example, depending upon the potential and the species present in the 

solution.  This reaction possesses an impedance, which we describe here by a Randles equivalent 

electrical circuit, and which is included in 

R

e,h

.   If  

R

e,h

 is low, the majority of the current will 


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flow through this parallel path and not through 

Z

f

 and 

Z

w

, with the consequence that the faradaic 

and defect transport impedances are “short circuited” and the analysis will become insensitive to 

the kinetic and transport processes involving the generation, annihilation, and transport of point 

defects.    This  issue  was  recognized  from  the  earliest  development  of  the  PDM  [20-22].  

Accordingly, our experiments over the past thirty two years have been carried out to render 

R

e,h

to be as large as possible, by excluding to the greatest extent possible all “tramp” redox species 

from the solution.  

In series with the redox impedance, but in parallel with the Faradaic impedance (

Z

f

) and 

the defect Warburg impedance (

Z

W

), Figure 2, is the electronic impedance of the film, due to the 

ionization of electrons from donors (metal interstitials and oxygen vacancies) into the conduction 

band and the generation of electron holes in the valence band by the acceptance of electrons from 

the valence band by cation vacancies.  Below we estimate the electronic impedance of the barrier 

layer, 

Z

e

 , on the basis of Bojinov  et al.’s model [42-44].  In turn, and in accordance with this 

model, 

Z

e

 is calculated by using the Young relation [45]: 

L

e

e

j

x

dx

Z

0

0

ˆ

ˆ

)

(

(50)

where

)

(

x

e

 is the electronic conductivity profile in the barrier layer, 

ω

 is angular frequency, 

ˆ

is the dielectric constant of the film, and 

0

ˆ

 is the dielectric permeability of the vacuum.  The 

electronic  conductivity  of  the  barrier  layer  is  proportional  to  the  concentration  of  electronic 

charge carriers, 

C

e

, i.e.

e

e

e

FC

 (51)


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where

RT

FD

e

e

/

  is  the  mobility  of  the  electronic  charge  carriers,  which  is  assumed  to  be 

constant, and 

D

e

 is diffusion coefficient of electrons. 

We will adopt the following approximation for 

C

e

:

O

i

e

C

2

C

C

  (52)

which  simply  states  that  the  concentration  of  conducting  electrons  in  the  conduction  band  is 

directly determined by the concentration of electron donors in the barrier layer with each oxygen 

vacancy  and  metal  interstitial  contributing  2  and

electrons,  respectively,  to  the  conduction 

band.

In References [42-44], the concentrations of defects were calculated in accordance with 

the  Fromhold  and  Cook  equations  [45].    Here,  we  will  estimate 

C

i

  and 

C

O

 on the basis of the 

PDM.  In doing so, it is convenient to present flux densities of the ionic defect, 

J

k

, in the film in 

following form:

k

k

k

k

k

C

U

dx

dC

D

J

(53)

where

RT

FD

z

U

k

k

k

(54)

has the dimension of velocity.  Under steady-state conditions 

0

dx

dJ

k

(55)

and Equation (55) has the following solution